Текст книги "Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)"

Автор книги: Максим Кронгауз

Соавторы: Владимир Сурдин,Александр Аузан,Сергей Попов,А. Алексенко,Ирина Прохорова,Лев Патрушев,Максим Скулачев,Константин Северинов,Татьяна Черниговская,Максим Либанов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 13 страниц) [доступный отрывок для чтения: 5 страниц]

Революция в исследовании генома человека

Первая полная усредненная структура генома человека была расшифрована к 2000 году. В этой грандиозной работе принимали участие две группы исследователей. С одной стороны, до 1997 года такими исследованиями занимался большой международный консорциум, деятельность которого координировал Фрэнсис Коллинз, ныне занимающий пост директора Национального института здоровья США. В 1997 году, когда работа была близка к завершению, а все полученные результаты были опубликованы, к исследованиям независимо подключился американец Джон Крейг Вентер. На пожертвования он организовал фирму Сelera Genomics, которая проводила исследования структуры генома преимущественно самого Вентера. В итоге обе группы одновременно пришли к финишу. Затраты на расшифровку генома человека и с той и с другой стороны составили приблизительно по 3 миллиарда долларов. Расшифровка генома Вентера оказалась первой опубликованной структурой персонального генома человека.

Фрэнсис Коллинз – р. 1950 – Американский генетик, получивший всемирную известность как руководитель проекта по расшифровке генома человека.

Джон Крейг Вентер – р. 1946 – Американский биолог и предприниматель. Президент компании Celera Genomics, занимавшейся параллельной коммерческой версией проекта «Геном человека». Первоначально предполагалось платное использование данных, однако позже Вентер опубликовал свои результаты и включил их в проект «Геном человека». В 2000 г. Вентер и Коллинз вместе доложили президенту США о составлении карты человеческого генома.

На сегодняшний день благодаря методической революции в определении последовательности нуклеотидов стоимость прочтения персонального генома снизилась с трех миллиардов до 3–5 тысяч долларов. Новые методы стали пригодны для проведения широких клинических исследований. Были сконструированы приборы нового поколения, работающие на совершенно иных принципах. Одна современная машина для определения структуры генома человека заменяет по производительности сотни старых приборов, использовавшихся в первых экспериментах по расшифровке генома. Последним достижением в этой области является разработка английских ученых – прибор, который помещается на ладони, подключается к ноутбуку через разъем USB и, как обещают, будет стоить около 900 долларов. Если этот прибор выйдет на рынок, то расшифровка по крайней мере значительной части генома человека в скором времени может стать общедоступной.

Одним из результатов использования в исследованиях генома приборов нового поколения было завершение в 2012 году международной программы «1000 геномов». В ходе программы были расшифрованы персональные геномы тысячи человек, относящихся к разным расам и популяциям, а также геномы отдельных семей: мать – отец – ребенок. Полученные данные подтвердили прогнозы и накопленную ранее информацию об исключительном разнообразии геномов: у каждого обследованного человека количество отличий от стандартного генома составило около 3,5 миллиона однобуквенных замен. При этом в каждом персональном геноме здорового человека обнаруживали до пятисот тысяч ранее неизвестных мутаций. Было также выявлено большое количество мутаций, ассоциированных с тяжелыми заболеваниями. Доказанный факт, что геном каждого человека является уникальным и неповторимым, лег в основу новой концепции терапии больного человека.

Концепция персонализированной медицины и ее возможные последствия

В соответствии с новой концепцией современные методы лечения должны основываться на учете генетических особенностей организма пациента. Для каждого лекарства в организме имеется биологическая мишень в виде белка-рецептора или фермента – больших молекул, структура которых закодирована в генах человека. Поскольку в геномах людей могут встречаться различные варианты конкретных генов, различаться будут и белки-мишени, которые ими кодируются. В результате одно лекарство может по-разному взаимодействовать с мишенями: если для одного человека лекарство эффективно, для другого оно может быть бесполезно. Выходит, каждому пациенту для эффективного лечения нужно подбирать лекарственный препарат с учетом его индивидуальных генетических особенностей. Хорошо известным примером является терапия лекарством варфарин, применяемым для предотвращения избыточного свертывания крови. В зависимости от вариантов конкретных генов, участвующих в реализации его действия, пациентам требуется разная эффективная доза лекарства. Известны клинические случаи, когда в силу особенностей строения генома варфарин на пациента не действует вообще. Для подбора правильной дозы лекарства пациентам, принимающим варфарин, рекомендовано генетическое тестирование.

У концепции персонализированной медицины есть и темная сторона – возможное злоупотребление генетическими данными. Если концепцию применить к токсинам, то она может превратиться в свою противоположность и лечь в основу разработки биологического оружия персонального действия. В зависимости от генетических особенностей люди могут быть разделены на группы, чувствительные и устойчивые к токсину. Примером такого избирательного действия лекарств может быть повышенная чувствительность отдельных людей к конкретным распространенным лекарственным препаратам. Современные технологии модификации химических веществ достигли такого уровня, что с их помощью можно создавать вещества, действующие на конкретные генетические варианты мишеней в организме человека. Необходимо помнить об опасности такого использования данных о структуре генома. В этой связи распространение генетических данных о полной структуре персональных геномов должно быть четко регламентировано.

Генетическая дискриминация

Конфиденциальность при обмене данными о геномах отдельных людей необходимо соблюдать также из-за возможной дискриминации. Уникальность сочетаний вариантов генов говорит о том, что люди по своим биологическим возможностям не равны между собой. Основываясь на данных генетических тестов, некоторые социальные институты дискриминируют людей по генетическим признакам. Прежде всего речь идет о страховых компаниях, которые при страховании жизни или здоровья человека пытаются получить от врачей данные об особенностях его генома. Смысл заключается в том, чтобы снизить сумму страховки при наличии у человека генетической предрасположенности к каким-либо заболеваниям. Дискриминационный подход был отмечен и у некоторых работодателей: фирмы отказывали в приеме на работу людям на основании результатов их генетического тестирования. Такие же явления встречались и в семейных отношениях: открывающиеся данные о наличии вредных вариантов генов у здоровых супругов создают напряженность и могут стать причиной распада семьи. При усыновлении детей люди начинают требовать данные генетических тестов ребенка. Согласно опросам, до 50 % бессимптомных людей с предрасположенностью к болезни Хантингтона[7]7
  Болезнь Хантингтона – генетическое заболевание нервной системы, проявляющееся обычно в возрасте 30–0 лет и связанное с постепенно прогрессирующими психическими расстройствами. Заболевание вызывается увеличением числа копий тринуклеотида CAG в гене IT-15, выполняющем неизвестную функцию. В настоящее время болезнь неизлечима.


[Закрыть] подвергались дискриминации во всех трех вышеперечисленных сферах социальной жизни, причем не где-нибудь, а в США, Западной Европе и Австралии.

В настоящее время в большинстве развитых стран генетическая дискриминация ограничена или полностью запрещена на законодательном уровне. Основным научным аргументом, запрещающим генетическую дискриминацию, является неопределенность действия потенциально вредных вариантов гена на здоровье человека. Бессимптомный носитель таких вариантов попадает в группу риска, но сама патология у него может так и не развиться. Как уже упоминалось, возможная причина такой неопределенности – сложные сети взаимодействующих генов, уникальные для каждого человека.

Несмотря на то что генетическое тестирование в нашей стране получает все большее распространение, в Российской Федерации нет законов, запрещающих генетическую дискриминацию и бесконтрольное распространение персональных генетических данных. Эта проблема требует быстрого юридического разрешения.

Как сохранить генофонд?

В современной популяционной генетике и популярной литературе часто употребляют термин «генофонд». Под генофондом понимают совокупность всех вариантов генов, которые встречаются у людей, проживающих на конкретной территории. Среди таких вариантов могут быть как вредные, так и внешне нейтральные или даже полезные мутации. Из-за ограниченности наших знаний о взаимодействиях вариантов генов мы не можем однозначно отнести тот или иной вариант к вредным, нейтральным или полезным. Хотя число индивидов, составляющих нацию, можно пересчитать, генетическое разнообразие генофонда бесконечно. В генофонде непрерывно возникают новые варианты генов и их сочетаний. Состояние генетического равновесия автоматически поддерживается в генофонде природными силами. Наиболее вредные мутации сами выбраковываются естественным отбором: например, на стадии раннего развития зародыша при спонтанных абортах.

Поскольку большинство вновь возникающих в генофонде мутаций либо нейтральные, либо вредные, необходимо защищать человека от неблагоприятных воздействий внешней среды, которые повышают вероятность возникновения вредных вариантов генов. С теми же целями человек может, например, отказаться от некоторых вредных привычек. Для сохранения генофонда необходимо усилиями всего общества развивать науку, которая помогает понять многочисленные последствия от взаимодействия бесконечных вариантов генов. На мой взгляд, было бы ошибочным пытаться улучшить генофонд путем подбора семейных пар по внешним признакам психического и физического здоровья, как это делают селекционеры домашних животных и сельскохозяйственных растений. В обществе, где в результате такого отбора все люди стали бы высокими и голубоглазыми, никогда не были бы написаны ни «Война и мир», ни «Братья Карамазовы», не появились бы ни Гленн Гульд, ни Святослав Рихтер.

Святослав Рихтер – 1915–1997 – Крупнейший музыкант XX века, советский и российский пианист. Семья Рихтера жила на территории Украины и сочетала в себе немецкие и русские национальные корни.

Гленн Гульд – 1932–1982 – Канадский пианист, выдающийся интерпретатор Баха. Среди предков Гульда – евреи, славяне, англосаксы и норвежцы (родственники композитора Эдварда Грига).

Для сохранения генофонда нации любое цивилизованное государство должно заботиться о каждом конкретном человеке. Необходимо, чтобы каждый гражданин достойно дожил до репродуктивного возраста, оставил и воспитал уникальное и неповторимое потомство.

Сегодня мы еще слишком мало знаем о геноме, чтобы делать однозначные выводы о будущем влиянии конкретных вариантов генов на здоровье личности. Наличие вредных вариантов генов в геноме человека в большинстве случаев не является для него приговором. Необходимо отказаться от прямолинейной оценки и прогноза возможного влияния вариантов генов на организм и здоровье человека. Развитие патологического процесса зависит от многих факторов, на большинство из которых человек может повлиять сам, немного изменив свой образ жизни. Пусть впереди нас ждет только радость!

Максим Либанов. Почему наш мир таков, каков он есть

Максим Либанов – Доктор физико-математических наук, профессор МГУ.

Каждый из нас задается вопросами. Сначала, в детстве, это простые и наивные вопросы о том, почему на небе звезды, почему солнце встает, а реки текут. Ответы на большинство этих вопросов мы получаем в школе. Реже нам отвечают на вопрос «Что такое жизнь?» и совсем редко – на вопросы вроде «Зачем все это нужно?». Мы задаемся вопросами, потому что наш мозг устроен таким образом, что он постоянно строит модели, которые затем он может применять в различных ситуациях.

Основной принцип, который использует наш мозг при построении моделей, – это поиск гармонии. Энциклопедический словарь дает следующее определение: «Гармония – соразмерность частей, слияние различных компонентов объекта в единое органическое целое». Другими словами, гармония – это некоторая красота, симметрия или простота. Гармоничные вещи нам гораздо проще встроить в модель, чем запоминать огромные объемы часто ненужной информации.

Бал правит симметрия

Одним из краеугольных камней гармонии является принцип симметрии. Когда говорят о симметрии, мы представляем себе «обычные» симметрии, встречающиеся в природе, такие как симметрия снежинки, кристалла или бабочки. Но симметрии могут быть и более сложными и не столь очевидными. Когда вместо геоцентрической системы Коперник предложил гелиоцентрическую систему и тем самым «симметризовал» нашу планету по отношению ко всем остальным планетам, он совершил великую революцию в физике и в нашем сознании. После этого законы физики, законы небесной механики стали значительно проще и нагляднее.

Целью науки фактически служит открытие наиболее фундаментальных законов, и эти законы должны быть органичны, просты, красивы и логичны. Все основные уравнения с виду довольно просты и по мере развития науки становятся проще. В основе птолемеевской космологии лежало представление о мире, в котором Земля являлась центром Вселенной. Описание такого мира требовало построения сложных математических конструкций. Однако стоило лишь отказаться от идеи, что Земля в центре, и описание стало значительно короче и стройнее. Краткость и простота математического описания – верный знак того, что оно правильно отражает красоту и гармонию самой Вселенной.

Сам вид уравнений Эйнштейна и Максвелла (уравнений электродинамики), а также уравнений, описывающих два других типа взаимодействий – сильного и слабого, практически однозначно фиксируется симметриями, которые существуют в природе. Можно предположить, что, знай, например, Ньютон в XVII веке те симметрии, которые знаем мы, он наверняка бы вывел и уравнение Эйнштейна, и уравнения Максвелла, что называется, на кончике пера. Однако потребовалось более двухсот лет для того, чтобы понять, какие именно симметрии лежат в основе этих теорий.

Альберт Эйнштейн – 1879–1955 – Немецкий и американский физик, создатель теории относительности. Формула Эйнштейна, связывающая массу и энергию, стала самым известным среди населения земли физическим соотношением.

Исаак Ньютон – 1643–1727 – Английский физик и математик, основоположник классической механики и теории гравитации.

Возникает вопрос: можно ли вывести все физические уравнения из единственного требования красоты и симметрии? Возможно, ответ на этот вопрос положителен, но на современном уровне понимания проблемы одной только симметрии явно недостаточно. Дело в том, что в существующих физических теориях во все уравнения входят константы, такие как заряд или масса электрона. Если эти параметры изменить, вид уравнения – а значит, его красота и симметричность – не изменится. Но как повлияет такая процедура на законы физики, на сам вид Вселенной, в которой мы живем? На этот вопрос есть два ответа: либо ничего не поменяется, либо Вселенная изменится до неузнаваемости. Я хочу продемонстрировать, что правильный ответ второй: Вселенная станет неузнаваемой, если лишь чуть-чуть подправить константы в уравнениях.

Точная настройка мира

Начнем с числа измерений нашего мира, которое тоже можно рассматривать как фундаментальную константу. Все мы хорошо представляем, что наше пространство трехмерно: для того чтобы точно задать положение тела, надо знать три числа – скажем, широту, долготу и высоту относительно Земли. Другим фактом, отражающим трехмерность нашего пространства, является то, что через одну точку можно провести ровно три взаимно ортогональные прямые. Строго говоря, необходимо также задать момент времени, когда тело находилось в данной точке, – тогда мы приходим к понятию четырехмерного пространства-времени. Но в дальнейшем мы не будем обращать внимания на эту тонкость и будем говорить о числе пространственных измерений.

Еще древние греки заметили, что геометрия двумерного и трехмерного пространств различна. Так, в двух измерениях существует бесконечное количество правильных многоугольников, а в трехмерном мире – всего пять правильных многогранников[8]8
  Правильный многогранник – объемная фигура, поверхность которой складывается из одинаковых правильных многоугольников. В трехмерном пространстве существует пять правильных многогранников (число граней 4, 6, 8, 12 и 20), в четырехмерном пространстве – шесть.


[Закрыть]. Из этого факта они делали вывод о красоте и гармоничности трехмерного пространства, а в красоте древние греки знали толк. Возникает вопрос, а что было бы (кроме отсутствия гармонии в понимании древних греков), если бы наше пространство не являлось трехмерным? Дело в том, что законы физики, то есть уравнения, о которых говорилось выше, без труда переносятся на любое число измерений. Более того, с одной стороны, справедливость этих уравнений проверена экспериментально в двумерных системах, таких как графен. А с другой стороны, некоторые современные теории, например теория суперструн или М-теория, могут быть непротиворечивым образом сформулированы в десяти– или одиннадцатимерном пространстве-времени.

«Уравнения физики красивы хотя бы потому, что они короткие. Уравнение Эйнштейна, занимающее одну строчку, описывает все в нашей Вселенной».

Максим Либанов

Рассмотрим одномерный случай, например прямую. На прямой практически любое движение двух и более тел приводило бы к столкновениям. Вряд ли в такой системе могли бы появиться сложные формы организации материи, такие как жизнь. Шуточным аргументом против существования жизни в двумерном пространстве является следующее наблюдение. У высокоорганизованных двумерных животных пищеварительный тракт должен начинаться и заканчиваться в одном месте. В противном случае животное было бы разделено на две не связанные друг с другом части. По этой же причине у такого животного были бы проблемы с кровообращением. Еще одним, более серьезным аргументом против двумерной жизни является то, что в четном числе измерений у распространяющейся волны нет четкого заднего фронта (эффект реверберации). Это привело бы к тому, что двумерное существо слышало бы не последовательный набор звуков (слов), как мы, а наряду со вторым звуком слышало бы отголоски первого. Точно такие же проблемы возникли бы и с визуализацией (поскольку свет – это волна), да и с любым способом передачи информации посредством волн. Другими словами, в четном числе измерений были бы проблемы с коммуникацией, и вряд ли в таких условиях была бы способна появиться высокоорганизованная жизнь.

Более сильный аргумент – законы Ньютона и Кулона[9]9
  Законы Ньютона и Кулона – законы, устанавливающие силу гравитационного и электрического взаимодействия соответственно. Обе силы убывают пропорционально квадрату расстояния между телами, что определяется фундаментальной геометрией пространства.


[Закрыть] в нашем мире. Со школы мы помним, что есть закон обратных квадратов: два тела (или заряда) притягиваются друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Несмотря на то что уравнения, приводящие к этому закону, выглядят одинаково в любом числе измерений, решение этих уравнений, то есть сам закон, зависит от числа измерений. Так, в двумерном мире сила была бы обратно пропорциональна расстоянию (а не квадрату расстояния) между телами. Поразительным является тот факт, что только в случае выполнения закона обратных квадратов могут существовать стационарные орбиты планет и уровни электронов в атоме. Другими словами, в любом другом пространстве с числом измерений, отличным от трех, не существовали бы ни планеты, ни даже атомы, и жизнь вообще не смогла бы существовать и даже возникнуть. Нам с тремя измерениями повезло.

Шарль Огюстен де Кулон – 1736–1806 – Французский физик и инженер, сформулировавший закон взаимодействия электрических зарядов.

Попробуем теперь немного изменить другие физические константы. Мы знаем, что масса электрона намного меньше, чем масса нуклона. Вследствие такого соотношения электрон вращается по орбите вокруг ядра, которое практически покоится. Если массу электрона сделать порядка массы нуклона, то и электрон, и ядро будут вращаться относительно их общего центра тяжести. В результате не будет определенного положения ядра. В таком случае не было бы не только химиков и физиков, но и никого другого, потому что не было бы молекул. Существование молекул зависит от простого факта, что электрон намного легче нуклона.

Чтобы идти дальше, вспомним, откуда во Вселенной вещество. Согласно современным представлениям, все вещество во Вселенной было произведено в момент Большого взрыва – периода развития ранней Вселенной, характеризующейся огромной температурой и давлением. После Большого взрыва Вселенная начала расширяться и, подобно расширяющемуся газу, охлаждаться. Приблизительно через 300 секунд температура упала настолько, что стал возможен синтез легких элементов, таких как гелий, – произошел первичный нуклеосинтез. Было вычислено, что во Вселенной должно быть 75 % водорода и около 25 % гелия, что прекрасно согласуется с наблюдательными данными. Поразительно, что эти цифры получились за счет очень точной подстройки констант. Если константы были бы немного другими, то во Вселенной могло бы не оказаться водорода – он бы (почти) весь переработался в гелий. В такой Вселенной жизнь была бы невозможной.

Далее допустим, что массы нуклонов (протонов или нейтронов) отличались бы от известных значений на доли процента в большую или меньшую сторону, и посмотрим, как выглядел бы мир.

Известно, что протон стабилен[10]10
  Распад протона – гипотетическое событие, которое до сих пор не наблюдалось. Согласно ныне общепринятой стандартной модели элементарных частиц, протон абсолютно стабилен, то есть время его жизни бесконечно. Однако большинство физических теорий, выходящих за пределы стандартной модели, постулируют конечное время жизни протона, от точного значения которого зависит выбор между этими теориями.


[Закрыть]: его время жизни более 1030 лет. Это огромное число, гораздо больше возраста Вселенной, которой 10–15 млрд лет. Нейтрон, напротив, нестабилен. Свободный нейтрон распадается за 15 минут. Он распадается на протон, электрон и нейтрино, и происходит это за счет того, что масса нейтрона больше, чем сумма масс протона и электрона. Разность масс нейтрона и протона меньше, чем энергия связи нуклонов в ядре, за счет чего и существуют стабильные элементы – нейтрон не может распасться в ядре по энергетическим соображениям. Но если увеличить массу нейтрона всего на 1 %, разность масс окажется больше, чем энергия связи в ядре. Это означало бы, что нейтроны в ядрах были бы нестабильны – все ядра распались бы. Остались бы только ядра водорода – протоны. Вместо нашей разнообразной Вселенной мы получили бы просто водородный пузырь, в котором опять же жизнь была бы невозможна.

Если, напротив, уменьшить разницу в массах между протоном и нейтроном, то распад нейтрона станет куда менее вероятным. Тогда в ранней горячей Вселенной число протонов и нейтронов стало бы более или менее одинаковым. Из такой каши с большой вероятностью образовались бы ядра гелия. Гелий, как мы знаем, инертный газ – а значит, жить во Вселенной из гелия было бы скучновато. Звезды, которые могли бы в ней образоваться, были бы короткоживущими и, следовательно, не дали бы возможности зародиться жизни на окружающих их планетах (если бы такие смогли образоваться). Кроме того, в такой Вселенной не было бы водорода, столь необходимого для образования воды и органических кислот. Сложно представить, что в такой Вселенной была бы возможна жизнь.

А если еще увеличить массу протона, он станет тяжелее нейтрона и будет распадаться на нейтрон, позитрон и нейтрино. В мире останутся только нейтроны, которые не могут притягивать электроны. Не будет атомов, не будет химии, не будет химиков, не будет ничего. Таким образом, все разнообразие мира, каким мы его знаем, определяется очень точным подбором разницы масс протона и нейтрона.

Но откуда берутся такие удивительным образом подобранные константы, мы не знаем. Можно предположить, что это Великий Замысел Творца. А может быть, это фундаментальное свойство природы или счастливая случайность. Физики надеются (они почти уверены), что существует некая теория – теория суперструн или то, что называют М-теорией, – более фундаментальная, чем то, что мы имеем, и которая сможет ответить на эти вопросы, а все таким удивительным образом подобранные значения констант будут следствием некоторых простых симметрий.