Генетические исследования все глубже проникают в нашу повседневную жизнь. Они помогают нам узнать о нашем этническом происхождении, предрасположенности к заболеваниям, врожденных особенностях организма и даже о чертах характера. Но насколько эти знания действительно влияют на нас? И продолжается ли эволюция в XXI веке?
Об этом нам рассказал Архат Абжанов — генетик, специалист по молекулярной биологии и биологии развития. Окончив Казахский государственный университет, он получил степень доктора наук в Университете Индианы, затем занимался исследованиями и преподаванием в Гарвардском университете. Сегодня он возглавляет научную группу в Имперском колледже Лондона и работает в Национальном музее естественной истории, где популяризирует знания об эволюции.
— Архат, в начале своей карьеры, еще в Казахстане, вы занимались биологией. Чем вас увлекли изыскания в области эволюции и генетики?
— Мой интерес к биологии возник очень рано. Мне нравилось изучать жизнь вокруг — растения, насекомых, животных. Мне повезло, что я родился и вырос в большом городе (Алматы), потому что там было много кружков по разным предметам: биологии, физике, химии,— где работали люди, которые могли ответить на мои вопросы. Довольно часто, особенно в глубинке, у детей, по-настоящему интересующихся науками, нет рядом человека, который мог бы им все объяснить. И они пытаются свою жажду знаний утолить в книгах, интернете, но им сложно разобраться в этом самостоятельно. Это одна из причин, почему я люблю работать с детьми (я веду онлайн-семинары, лекции): для меня важно ответить на их вопросы. Я вырос с интересом к зоологии, и в университете она меня тоже интересовала. И только ближе к концу обучения в университете я понял, что работа классического биолога не для меня. Еще в старших классах я ездил в полевые экспедиции и выяснил, что мы можем найти какой-то новый вид и описать его внешний вид, но на этом все заканчивается. Это поверхностный подход. Для того чтобы двигаться дальше и глубоко понять изменения, которые произошли внутри этих организмов, необходимо знать генетику и молекулярную биологию. Я увлекся ими, а так как наступили сложные временя для науки в Казахстане в целом (я учился в начале 1990-х годов), вскоре уехал получать докторскую степень в США. Там я работал в лаборатории знаменитого генетика профессора Томаса Кауфмана, начал с азов и постигал глубже генетику и молекулярную биологию. Но когда я стал генетиком, во мне снова проснулся интерес к эволюции: меня интересует не только то, что изменилось и почему, но и то, как это произошло.
— Какова основная цель ваших исследований? Работа в Музее естествознания помогает вам в научной деятельности?
— Ответ на вопрос, как одна клетка (оплодотворенная яйцеклетка) превращается в организм, состоящий из миллиардов клеток с разными функциями (мышечные, костные, нервные системы),— одна из самых больших загадок в биологии. Я изучаю, как программа развития, заложенная в нашем геноме, записана, как она считывается и управляет нашим индивидуальным развитием. У нашей команды в университете есть проекты, где мы прежде всего пытаемся понять в лабораторных условиях, на мышах и куриных эмбрионах, как эта генетическая программа работает. Кроме этого, нас интересует не только как это происходит в нормальных условиях, но и как программы, записанные в нашем геноме, со временем меняются, производя разные вариации, например новые похожие виды, но с какими-то отличиями от предков. Почему некоторые из новых вариантов поддерживаются эволюцией, а другие отсеиваются? Я работаю в двух научных учреждениях, совершенно разных по духу. В университетской лаборатории мы делаем открытия и делимся ими с относительно небольшим кругом коллег, студентов и аспирантов. Главная цель Музея естествознания — поделиться накопленными знаниями с обыкновенными людьми, особенно с детьми. Я люблю рассказывать о сложных вещах доступным языком, чтобы знания, которые мы получаем, были понятны и широко распространялись. Мой выход к публике (я веду научно-популярные лекции и экскурсии по нашему замечательному музею на русском языке) — мой вклад в популяризацию науки.
Музей естествознания и Имперский колледж, а также Музей науки, Королевский колледж искусств и Альберт-холл входят в научно-образовательный кластер, построенный в конце XIX века королевой Викторией и принцем Альбертом. В то время для экспансии Британской империи было необходимо развивать науки, медицину, технологии, и нужны были музеи, где бы населению объясняли, для чего все это нужно. До сих пор все эти организации поддерживают связи и ведут много совместных проектов. Для меня лично это важно, потому что многие наши научные проекты начинаются именно в музее. Последние три века в него привозят материалы из экспедиций со всего мира. Это более 80 млн экземпляров различных видов биологических существ, которые мы сейчас изучаем с использованием новых идей и технологий.
— Вы не только ученый, но и преподаватель. Схожи ли образовательные методики в США и Великобритании? Какие плюсы и минусы вы бы отметили в обучении?
— Я десять лет преподавал в Гарвардском университете (США) и затем десять лет в Имперском колледже (Великобритания). Качество образования в обеих системах хорошее, по крайней мере в топовых университетах. Отличается только подход. Американская система образования очень гибкая: заявить о своей специализации можно на втором курсе, и студенты самостоятельно выбирают предметы для изучения из широкого спектра доступных курсов. Так, биолог, например, может окончить профильный факультет, не зная детально эволюционных процессов, потому что не выбрал эволюцию как предмет. С одной стороны, гибкость, с другой стороны, сложно гарантировать хорошие базовые знания. Такой подход в США обусловлен тем, что представляет собой школьное образование: ученики изучают много предметов, но знания по ним даются неглубокие.
В Великобритании выбор будущей профессии происходит еще в школе, причем довольно рано. Поэтому при переходе из средних классов в старшие (при поступлении в колледжи 6th form.— Прим. ред.) ученики фокусируются на углубленном изучении трех-четырех предметов, которые преподаются на уровне первого и второго курсов американского вуза. Именно эти дисциплины им понадобятся, чтобы поступить по специальности в университет на конкретную учебную программу. Английская система похожа на немецкую, с которой, в принципе, была скопирована российская, а потом и советская система образования. В так называемой европейской системе высшего образования дается мощная база, а потом, в последние два года, начинается глубокая проработка. Таким образом можно гарантировать, что все английские студенты-биологи знают на базовом уровне и зоологию, и эволюцию, и молекулярную биологию. Вчерашние английские школьники — студенты Имперского колледжа лучше подготовлены по биологии, и с ними гораздо быстрее можно изучать другие предметы. Именно поэтому, кстати, в Британии программа бакалавриата рассчитала на три года, а в США — на четыре.
Перейти с одной системы на другую довольно сложно, потому что американская система больше подходит тем, кто любит выбор, а британская — тем, кто уже в четырнадцать лет знает, кем хочет быть, и идет к цели. При этом обе системы эффективные: не случайно британские и американские вузы доминируют в топ‑10 (и топ‑50) мирового рейтинга. Конечно, многое зависит от уровня конкретных университетов, потому что именно там совершаются все научные открытия. В хороших вузах преподаватели сами являются известными специалистами в своей области, им всегда есть чем поделиться со студентами.
— Как вы относитесь к компаниям, которые делают коммерческие генетические тесты? Например, Ancestry, 123andMe (ссылка на нашу статью). Есть даже компании, которые, по словам их представителей, определяют исторические корни так глубоко, что могут установить принадлежность человека к уже не существующим народам — гуннам, викингам, кельтам, скифам...
— Я отношусь к этому положительно, но здесь нужно учитывать некоторые нюансы. Необходимо выбирать компанию с большой базой данных и умеющую правильно интерпретировать информацию. Например, когда мы с женой делали наши геномы десять лет назад в 123andMe (она была первой в этой сфере и тогда лидировала), информация по Центральной Азии была минимальной. Тогда мы были «родственниками индейцев». В определенном смысле так оно и есть, хотя родственная связь очень дальняя, однако у них не было данных, чтобы связать нас с другими народами. За последние десять лет десятки тысяч людей по всему миру сделали анализ своих геномов. Сейчас у этой компании есть информация не только о жителях Центральной Азии, но и о моем родовом клане, моих предках, постоянно пополняются данные, и выборка просто огромная. Для обработки таких объемов данных используются машины с ИИ и более сложные алгоритмы.
Такие компании предоставляют два пакета информации из генома: первая часть — по состоянию здоровья (наследственные заболевания, предрасположенности) и вторая часть — по генеалогии. Для англичан, возможно, не будет больших открытий, а вот представителей более смешанных народов ждут сюрпризы. Ну и чтобы правильно интерпретировать результаты, надо знать историю своего народа и своего региона.
— Человечество продолжает эволюционировать — говорят, даже мозг у нас становится немного меньше. Какие факторы больше всего влияют на нашу эволюцию и какими мы их видим?
— Большинство эволюционных процессов, которые нас произвели, видны в наших адаптационных механизмах. Человек — один из биологических видов, который должен был выживать. У древних людей не было брони, острых зубов и когтей, их главное преимущество — постоянно увеличивающийся размер мозга и растущий интеллект. Например, в каменном веке орудия труда становились все сложнее и разнообразнее. Примерно 60 тыс. лет назад современный человек вышел из Африки, попал в Европу и Азию, столкнулся с новыми болезнями, хищниками, проблемами и возможностями. Сейчас человечество в целом защищено от страшных эпидемий прошлого вроде чумы, но это касается людей, живущих в странах с развитой системой здравоохранения, где есть антибиотики, лекарства, вакцины. Даже сейчас есть общества, например племена на островах или в джунглях, которые живут в каменном веке, на периферии цивилизации, и постоянно сталкиваются с голодом, жарой, холодом и болезнями. Поэтому, строго говоря, эволюция в виде естественного отбора там до сих пор продолжается. В развитых странах, где люди уже при рождении защищены от многих заболеваний, естественный отбор слабее, и начинают накапливаться мутации, которые раньше бы отсеивались. Например, есть предрасположенность к астигматизму и потере хорошего зрения. Если в древние времена у человека сильно ухудшалось зрение, выжить ему было сложно, ведь надо было охотиться или воевать. Сейчас выписывают очки. То же самое касается и других органов: часто можно подобрать протез (например, слуховой аппарат) или вставить имплант. То есть практически нормальная жизнедеятельность многих из нас поддерживается искусственно (лекарства, операции, трансплантации). Эпидемия ковида, правда, показала, что хорошая иммунная система важна и сегодня.
Эволюция — это многогранная адаптация к новым условиям, в том числе таким, как очень сложная социальная сфера, общение с десятками и сотнями других людей, умение решать проблемы. Наш мир постоянно и быстро меняется. Помимо природных, появляются еще и технологические факторы. Например, если отказывают органы, их можно заменить на искусственные, а потерянные конечности протезировать. Первые протезы известны еще со времен Древнего Египта. Сейчас их функциональность очень выросла: протезы имеют датчики давления, температуры, некоторые напрямую связаны с нервами, движение моторов контролируется пациентом. Протезирование выходит на новый уровень. Можно сделать биодеградируемые имплантаты — точные копии органа, засеянные человеческими клетками, например пластины для фиксации при переломах костей. Матрица полностью рассасывается в организме, заменяется на хрящевую или костяную матрицу и продолжает функционировать. Можно вырастить потерянное ухо, используя собственные клетки человека, или заменить поврежденные кости черепа после травмы. При этом риски отторжения тканей по сравнению с использованием донорских органов уменьшаются. За этим будущее. Идет киборгизация человека, все больше органов можно заменить искусственными. Если сейчас это делают, чтобы спасти жизнь человеку, заменить отказавшие почки или сердце, то в дальнейшем протезирование будет направлено на улучшение наших физических и интеллектуальных возможностей, например на создание ребенка с определенным набором генов, превосходящим популяцию (это будет опция для богатых).
Параллельно развивается генная терапия на основе генной инженерии. В лабораториях ученые используют мышей. Мы создаем в них мутации, имитирующие различные человеческие генетические заболевания, наблюдаем, как организм с ними справляются, учимся их лучше диагностировать и лечить. И огромной разницы между тем, на ком проводить такие операции по генной терапии (на мышах, мартышках или людях), нет. Уже есть примеры, когда берутся стволовые клетки, например из костного мозга при раке крови, излечиваются в лаборатории с помощью генной терапии, с помощью радиации уничтожаются все больные столовые клетки в костном мозге пациента, и после операции новые клетки крови уже чистые. Вспомните, какой путь прошла хирургия от полевых госпиталей в Римской империи до пластической хирургии сегодня. Технически генная терапия будет возможна в ближайшие двадцать лет.
— Сейчас много говорят о климатических изменениях. Практически у каждой страны есть собственная зеленая повестка. Климат влияет на эволюционное развитие общества?
— Изменения климата влияют не только на людей, но и на все живые организмы. Наш вид — часть биосферы. Климат меняется в том числе и потому, что сейчас мы находимся в межледниковом периоде. Последний ледниковый период закончился примерно 13 тыс. лет назад. С тех пор идет постоянное повышение температуры, и такое происходило уже много раз в прошлом. Через несколько десятков тысяч лет наступит новый ледниковый период. После прибытия в Евразию и Америку человечество жило вдоль ледника, на южной окраине. По мере его таяния люди стали распространятся дальше на север. С появлением промышленности мы стали производить углекислый газ и другие парниковые газы, и повышение температуры начало ускоряться. Быстрее всего климат меняется около полюсов, в горах и пустынях. Соответственно, в тех областях, где условия уже были близки к критическим, через какое-то время будет практически невозможно выжить, и начнется глобальная миграция. Потребуется адаптация к новым условиям. То есть мы меняем климат, и он начинает менять нас. Кроме того, меняются экосистемы — флора и фауна и те виды растений, которые мы можем выращивать в определенных широтах. В развитых странах люди смогут себя защитить, минимизировать климатическое влияние, например купить кондиционеры. Но населения с высокими доходами по миру немного, всего полтора-два миллиарда из более чем восьми, а остальные живут в бедных странах, где у людей нет возможности даже переехать в другое место, не говоря о том чтобы купить кондиционер или холодильник. Климатологи говорят, что на территории Индии и Пакистана температура будет выше оптимальной для выживания человека через сорок — пятьдесят лет. Людям придется сделать выбор: покидать эти места или как-то адаптироваться.
— Влияет ли миграция населения на генетику?
— Определенно влияет, потому что все мы потомки мигрантов, небольшой группы людей, которая покинула Африку примерно 60 тыс. лет назад. В процессе миграции мы сталкивались с другими животными и растениями, адаптировались к новым условиям, и с тех пор мы продолжаем мигрировать. Например, в Европе первыми появились охотники-собиратели, потом к ним пришли землепашцы с Ближнего Востока, научившие их выращивать пшеницу, и все население занялось сельским хозяйством и садоводством. Анализ геномов современных европейцев и останков древних людей показал, что генетическое наследие тех пришельцев встречается у 8% современного населения. То есть в этом случае хоть и не масштабное влияние было, именно после их прибытия европейцы научились возделывать землю и разводить домашних животных.
Если посмотреть на другой важный пример, то с раннего бронзового века индоиранские племена с территории Ирана и северного Индостана стали попадать в Центральную Азию, и началось движение на Восток, в Сибирь и на территорию нынешнего западного Китая. Именно они одомашнили лошадь, причем по крайней мере дважды, и изобрели колесницу. На Востоке, в степях, эти мигранты смешались с местными носителями восточных геномов, зародился кочевой образ жизни и начались волны миграции на Запад. Например, кто такие скифы, о которых так часто говорят и пишут? По генам это индоиранцы, которые дошли до Алтая и там, смешавшись с охотниками Сибири, приобрели все известные нам черты скифской культуры, такие как звериный стиль золотых украшений, короткий бронзовый меч акинак и кочевой образ жизни. Именно на Алтае находят самые древние скифские курганы с останками, ДНК которых ясно показывает их генетическую историю и связь с нынешними тюркскими народами. По мере миграции на Запад они ассимилировались, смешивались с другими народами, и именно этих скифов описал Геродот в Древней Греции. Таких волн миграции, несущих новые гены и культуру с Востока, было много: древние тюрки, авары, гунны, монголы. Можно раскопать останки в курганах и склепах Средневековья и убедиться при разборе их геномов, что прибывали люди с новой генетикой, с другим генофондом, и тот начинал отпечатываться на местном населении. Правда, популяции, жившие на окраинах Евразии, например население Кореи или Британии, сильно отличаются друг от друга, у них совершенно разные геномы. В центре Евразии мы видим генетический континуум и смешение генов и культур — присутствие европейских, ближневосточных и азиатских аллелей (вариантов) генов.
Поэтому миграции, особенно массовые, имели большое значение, они приносили с собой людей с другой генетикой, внедряли новые идеи и технологии. С каждой такой волной менялась картина мира. Например, прибывшие в Европу гунны разрушили устоявшийся в Европе порядок: дошли до Рима, сначала обрушив Византийскую империю, а потом сделали это и с Западной Римской.
— Что вы думаете о клонировании и запрете на выращивание органов?
— Клонирование сегодня активно применяется в различных сферах, включая сельское хозяйство и воспроизведение домашних питомцев (в США или Британии среди богатых становится популярным клонировать любимых кошек и собак, иногда уже умерших). Запрещено клонировать людей и производить генетические модификации в людях по этическим причинам, но потихоньку в этом направлении тоже есть движение. Например, генная терапия уже используется на тканях живых людей. Например, были модифицированы стволовые клетки, которые производят кровь, и введены обратно пациентам. Есть и более вопиющие примеры. Так, в 2018 году китайский биолог и биофизик Хэ Цзянькуй создал двух девочек-близнецов — первых в мире людей с искусственно измененными генами, невосприимчивых к вирусу иммунодефицита человека. Его приговорили к трем годам лишения свободы и штрафу 3 млн юаней (320 тыс. фунтов). Запрета на выращивание в лаборатории человеческих органов нет, насколько я знаю. Есть даже данные по их выращиванию и трансплантации пациентам, например искусственно выращенная кожа или желчные пути.
Одна из причин запрета на клонирование целого человека — это возможность создания более молодого клона, органы которого можно будет использовать как источник полностью совместимых запасных частей (эту тему в подробностях описали научные фантасты). На мой взгляд, выращивание тканей и органов надо приветствовать, потому что нынешний рынок по предложению органов для замены полностью зависит от доноров, и полезно было бы иметь альтернативные источники: многие пациенты умирают, не дождавшись трансплантации.
— Кто и как определяет этичность генетики?
— В каждом государстве собственные законы генетической этики. До «Брексита» в Британии действовали законы Европейского союза. Сейчас здесь создаются собственные законы и правила, но и они очень похожи на континентальные европейские. В Англии правила по работе над животными пишутся и корректируются министерством внутренних дел (Home Office), а контролирующие комиссии организуются на уровне университета. Необходимо заполнить формы, пройти обсуждение — и только потом дают разрешение, что можно покупать животных и с ними работать генетически. Например, когда мы изучаем куриные эмбрионы, мы можем их свободно использовать только в течение раннего развития, которое длится две недели. На третьей неделе развития у эмбриона начинает работать центральная нервная система, включая мозг, и ему необходим обезболивающий препарат и правильная эвтаназия после эксперимента, потому что именно в это время эмбрион начинает чувствовать. В науке практикуется трепетное отношение к более высокоразвитым животным и даже их эмбрионам.
— Какие открытия грядут в вашей области?
— Есть ряд направлений, в которых мы ожидаем интересных прорывов. Например, в области исследования геномов и более точного понимания, как работает программа индивидуального развития. Так, мы сможем понять по информации в генах (и в их мутациях), как будет развиваться животное или растение. Это поможет воссоздать исчезнувшие виды, причем не только вирусов и бактерий (это уже сейчас делается), а гораздо более сложно устроенных — растений и животных. Уже есть идеи по воссоздаю мамонта на основе генома азиатского слона. Недалек тот день, когда мы сможем создавать сложные организмы с новыми качествами (внешними, физиологическими, даже поведенческими). Будут прорывы в областях биоинженерии, бионики, киборгизации и генной терапии для человека.
