Альтруисты гибнут, но дело их живет
В журнале Science опубликованы результаты примечательной работы американских микробиологов, изучавших конкуренцию между искусственно созданными линиями кишечных палочек - "лабораторных крыс" бактериального мира. Бактерии выращивали на среде с антибиотиком; с помощью генной инженерии в них "вшили" способность его обезвреживать, для чего требовалось наличие в среде определенного сигнального вещества. Всего было создано две линии бактерий: одни синтезировали требуемое сигнальное вещество сами (их можно условно назвать "альтруистами"), другие ("эгоисты") были лишены такой способности. В смешанных колониях "альтруистов" и "эгоистов" сигнальное вещество передавалось от бактерии к бактерии, позволяя каждой из них противостоять действию антибиотика. Воочию наблюдать за конкуренцией двух линий можно было благодаря тому, что "альтруистов" заставили вдобавок синтезировать зеленый флуоресцирующий белок. Как и следовало ожидать, в смешанных колониях "эгоисты" размножались быстрее, и доля "альтруистов" снижалась. Причина в том, что "альтруистам" приходилось тратить часть энергии на синтез сигнального вещества и флуоресцирующего белка, проигрывая в скорости размножения.
Все это вполне закономерно. Но чем должен закончиться такой процесс? То ли стабилизацией численности "альтруистов" на низком уровне, то ли их полным вымиранием (выбор между этими возможностями зависит от конкретных значений интенсивности действия антибиотика, способности сигнального вещества к распространению, энергетических потерь "альтруистов" и других факторов). Однако в описываемом эксперименте был предусмотрен еще один важный процесс. Периодически колонии смешивали, а смесь бактерий разбавляли и высевали на новую среду. Там возникали новые колонии с разным соотношением "альтруистов" и "эгоистов". Каждая из колоний росла, и в каждой из них доля "альтруистов" снижалась. Однако (вот что важно!) те колонии, где доля "альтруистов" была выше, росли быстрее. Потом опять конец цикла, и снова образование новых колоний. Итог: в каждой колонии доля "альтруистов" снижалась, а во всей экспериментальной популяции - росла!
Авторы эксперимента трактуют это как иллюстрацию парадокса Симпсона (парадокса объединений).
Ограничивается ли описанное сравнение "альтруистов" и "эгоистов" подтверждением этого парадокса? Конечно, нет! Одна из тем, вызывающих ожесточенные споры в эволюционной биологии, - противонаправленность индивидуального и группового отбора. Понятно, что если действие некоего наследственного задатка приводит к увеличению доли его носителей в среде, дальнейшая эволюция пойдет в его сторону. А могут ли закрепиться признаки, которые невыгодны особи, но выгодны группе? Иногда да.
Социобиологи подробно разработали модели, показывающие, что если некий ген заставляет особь жертвовать собой во имя других носителей этого же гена, доля таких носителей может возрастать.
А если акт "альтруизма" совершается во имя всей группы, без оценки родства? В каждой из колоний были как "альтруисты", так и "эгоисты", и несмотря на то, что доля "альтруистов" неизменно снижалась, их образ жизни восторжествовал и стал нормой!
Как показал описанный эксперимент, динамичная среда, где происходит образование новых групп и имеет место конкуренция между ними, может приводить к распространению качеств, носители которых проигрывают внутри каждой из групп, способствуя, тем не менее, общему успеху. В этом исследовании показано не только действие одного из статистических парадоксов, но и доказана эффективность группового отбора.
И весьма вероятно, что социальные структуры, где обучают собратьев, заботятся о больных, сочиняют музыку или читают "Компьютерру", тоже возникли с участием подобных процессов.
Воскрешение РНК-мира
К цепочке экспериментов, моделирующих возникновение жизни, добавилось новое звено. Но прежде чем приступить к рассказу о нем, необходимо вступление.
«КТ» уже обсуждала представления о том, что жизнь появилась от случайного взаимодействия примитивных органических молекул. Эту точку зрения обычно приписывают ученым те, кто зарабатывает очки на ее разоблачении. Науке уже давно ясно, что сложность не является результатом однократной случайности, а возникает в результате запоминания развивающейся системой целой серии случайных выборов, когда изменения в определенном направлении фильтруются неким направляющим механизмом. Подобный механизм фильтрации неплохо описан. Для организмов это естественный отбор, для молекул — отбор автокатализаторов и иные виды отбора относительно более конкурентоспособных структур и процессов.
Современная жизнь построена на взаимодействии двух классов биополимеров — белков и ДНК. Но удивительным образом при их взаимодействии «между» ними почти всегда оказывается другой (помимо ДНК) класс нуклеиновых кислот — РНК. Может, наблюдаемое нами состояние — результат наложения новых молекулярных механизмов на старую РНК-основу? РНК пригодна для хранения и передачи наследственной информации (пусть и хуже, чем более устойчивая ДНК) и может обладать каталитической активностью (конечно, уступая в этом отношении ферментам — белкам-катализаторам). В 1986 году нобелевский лауреат Уолтер Гилберт подвел итог вызревавшим в течение двух десятилетий идеям и описал «РНК-мир» — форму преджизни, где и каталитическую, и информационную функции выполняли молекулы рибонуклеиновой кислоты. РНК-мир, считает Гилберт, возник в результате отбора на молекулярном уровне и привел к многократному повышению эффективности дальнейшего отбора.
Можно ли экспериментально доказать, что происходило на Земле почти четыре миллиарда лет назад? Увы, нет. Но попытки моделирования этих процессов способны дать весьма ценное теоретическое знание.
В конце 1990-х А. Б. Четверин и другие сотрудники Института белка РАН научились выращивать колонии размножающихся и конкурирующих друг с другом клонов РНК на чашках Петри с гелем, содержащим РНК-мономеры и необходимые ферменты. Достаточно выставить такую чашку на открытый воздух, как в ней начнут размножаться молекулы РНК. Но это, конечно, еще не РНК-мир, ведь сборку новых полимеров осуществляют белки.
В начале 2008 года были опубликованы результаты работ сотрудников Исследовательского института Скриппса (SRI) в Калифорнии, создавших установку для размножения и отбора рибозимов (РНК-катализаторов). Авторам исследования удалось создать условия, при которых лучшие катализаторы размножаются на среде с белками и мономерами нуклеиновых кислот быстрее худших. Молекулы РНК сами «решают», как изменить свою структуру в соответствии с требованиями экспериментаторов.
И, наконец, начало 2009 года. В том же SRI запущен процесс эволюции молекул РНК, которые обходятся без белков. Ученым удалось подобрать пары молекул РНК, каждая из которых синтезирует свою напарницу. Поселенные на соответствующую среду, разные пары начинают конкурировать друг с другом и совершенствовать свою структуру.
Что дальше? Как скоро будет создан реактор, где оживет преджизнь? Если все рассуждения верны, ДНК-РНК-белковый мир вытеснил когда-то своего предшественника — РНК-мир. Вытеснил, чтобы воскресить нашими руками заново?
Голиаф-киборг
Начиная с каменноугольного периода за господство на суше борются представители двух «вершин» эволюции животного мира — тип членистоногих и подтип позвоночных (третья «вершина» — класс головоногие — не смогла освоить ни пресные воды, ни сушу). Трудно представить, насколько мы отличаемся от членистоногих! В начале XIX века Этьен Жоффруа Сент-Илер, один из предтеч эволюционной теории, попытался вывести «план построения» позвоночных из членистоногих. Чтобы сделать это, потребовалось вывернуть тело наизнанку (у членистоногих скелет наружный, а у позвоночных — внутренний) и перевернуть его вверх тормашками (брюшной стороне тела членистоногих соответствует спинная сторона позвоночных; как ни удивительно, последний вывод подтверждается и современной наукой).
Каждая из групп приспособилась и заняла подходящие для нее экологические ниши. Признавая наличие массы исключений, можно резюмировать, что членистоногие многочисленны, приспособлены к строго определенным условиям жизни и в своем поведении отрабатывают жестко заданные программы. Каждая особь позвоночных ценнее, и она чаще учитывает индивидуальный опыт. Эволюционная гибкость членистоногих связана с обилием их видов, а позвоночных — с изменчивостью поведения, а иногда даже и с индивидуальными отличиями между особями одного вида.
А какую из групп лучше использовать для создания киборгов — управляемых устройств на биологической основе? Перед специалистами из Университета Беркли в Калифорнии этот вопрос не стоял. Недавно они представили ролик, на котором запечатлен полет радиоуправляемого жука-голиафа. Больше того, ученые заявили о готовности наладить выпуск подобных киборгов в самое ближайшее время. На жуке было укреплено устройство весом 1,3 г. Оно управляется по радио и подает сигналы на шесть электродов, внедренных в мускулатуру и нервную систему жука. Только представьте себе радиоуправляемого жука, направление полета которого изменяется по воле экспериментатора!
Жук-голиаф получил такое название не случайно, он один из самых крупных и сильных среди себе подобных. Это насекомое способно поднять в воздух примерно три грамма груза — а значит, имеется запас, который можно использовать, например, для установки крохотной видеокамеры. Решать в первую очередь военным, ведь именно они финансируют исследования. Но сами создатели голиафа-киборга убеждены, что для него найдутся и мирные применения.
А если не вешать на жука дополнительную видеотехнику, а задействовать его собственные глаза? И облегчить искусственный модуль управления за счет максимального использования нервной системы биологического носителя? Вот только размножаться, производя таких же киборгов, как они сами, техножуки не смогут. Или этому стоит порадоваться, ведь, как-никак, речь идет о представителе конкурирующей с нами группы животных?
О благородной полноте
Анджело Трембли (Angelo Tremblay) из Лавальского университета в Квебеке (Канада) пришел к выводу, который не может не обрадовать упитанных работников мыши и клавиатуры. Их избыточный вес не является прямым следствием сидячей работы и недостатка физических нагрузок. Причина сложнее и связана с глубиной ума. Пусть завидуют недалекие атлеты: по всему выходит, что жировые складки — плата за каждодневный интеллектуальный труд.
При интенсивной интеллектуальной работе общие затраты энергии невелики. Тем не менее интенсивно поработавший головой человек испытывает не намного меньший
В старые времена благородный Дон-Кихот был тощ, а комичный Санчо Панса оказался толстяком. Сегодня можно предположить, что Дон-Кихот духа страдает некоторым ожирением, а худощавых, жилистых и мускулистых работников умственного фронта остается только пожалеть. — Д.Ш.
Поскольку в коллективе редакции людей с избыточным весом почему-то не наблюдается, только гипертрофированное уважение к процессу научного познания не позволило нам вернуть этот текст автору на доработку. — В.Бир.
(Чтобы понять последний комментарий Владислава Бирюкова, следует учесть, что я вешу раза в два больше, чем он... Д.Ш.)
Д. Шабанов. Голиаф-киборг // Компьютерра, М., 2009. – № 6 (770)
Д. Шабанов. Воскрешение РНК-мира // Компьютерра, М., 2009. – № 5 (769)
Д. Шабанов Д. Альтруисты гибнут, но дело их живет // Компьютерра, М., 2009. – № 4 (768)
Д. Шабанов. О благородной полноте // Компьютерра, М., 2005. – № 41 (613)