Эволюция человека, квантовая революция и химия по щелчку
Естественнонаучные Нобелевские премии в 2022 году показали, как остроумно люди научились манипулировать самыми тончайшими материальными объектами — геномами вымерших существ, органическими молекулами и «запутанными» частицами
Мы пока знаем только одну точку на Земле, где три разные эволюционные ветви людей жили рядом в одно и то же время, — это Денисова пещера, — рассказывал нобелевский лауреат по физиологии и медицине этого года Сванте Паабо, сотрудник Института Макса Планка в Лейпциге, одному из авторов этой статьи (встреча состоялась на научной конференции, которую РАН проводила у той самой Денисовой пещеры, расположенной в Солонешенском районе Алтайского края).
С Россией Нобелевку связывает не только знаменитая пещера, но и многолетнее сотрудничество нобелиата с учеными из Института археологии и этнографии Сибирского отделения РАН во главе с академиком Анатолием Деревянко. Но то, что премию получил именно Сванте Паабо, более чем заслуженно. Он создатель палеогенетики (генетики вымерших существ), автор метода реконструкции генома из обрывков ДНК, с помощью которого удалось прочитать геномы неандертальца, денисовского человека и многих других древних людей и вымерших животных.
Новый взгляд на предысторию человечества
Открытия Паабо вроде бы не связаны с физиологией и медициной напрямую — это фундаментальная область знаний, благодаря им мы теперь знаем о происхождении человека во многих деталях. Но, как и любая фундаментальная область знаний, она имеет большое практическое значение.
Палеоантропология сейчас входит в число наук, которые приносят больше всего новостей: взгляд ученых на предысторию человечества очень существенно изменился за последние десятилетия, в том числе под влиянием российских исследований — ведь крупнейшее открытие XXI века в палеоантропологии было сделано в предгорьях Алтая, в Денисовой пещере. Но главная причина научной революции в палеоантропологии — развитие методов анализа генома. А они используются и будут использоваться для самых фантастических вещей вроде воскрешения вымерших видов. Да и вообще развитие тонких методов, которое стимулировала палеогенетика, а также детальное изучение человеческого генома в его эволюции безусловно важны в практическом плане, в том числе для медицины.
Все, что мы еще полвека назад знали о древнейших людях, основывалось на смелых реконструкциях, сделанных на основании какого-нибудь древнего зуба и пары грубо отесанных галечных камней неподалеку. Постепенно к работе палеоантропологов подключались другие специалисты — химики, зоологи, палинологи (исследователи пыльцы), климатологи, делая реконструкции все более надежными. Но настоящий прорыв случился, когда на помощь антропологам пришли генетики, — с тех пор каждый год приносит новые крупные открытия. ДНК, выделенная из найденного зуба, может немало рассказать о том, каким был его хозяин, и даже о том, с кем спаривались его предки. Лавина этих открытий в 2010-е годы заставила ученых пересмотреть «научное предание» об эволюции человека и прославила Сванте Паабо.
Паабо, внебрачный сын нобелевского лауреата, шведского биохимика Суне Бергстрёма и сотрудницы его лаборатории, с детства разрывался между египтологией и медициной, к которой его склонял отец. В итоге поступил на исторический факультет Университета Упсалы, но прочувствовав, как далека преобладавшая там архивная работа от приключений Индианы Джонса, перевелся на медицинский, а окончив его, занялся исследованием вирусов. Однако интерес к древности не уходил: Паабо стал ловить себя на мыслях о том, нельзя ли выделить ДНК из египетской мумии.
С помощью друга-египтолога из ГДР он получил доступ к коллекции музейного фонда Берлина и после нескольких попыток сумел выделить ДНК из хряща уха одной из мумий (оказалось, клетки хрящевой ткани сохранились лучше мышечных — в них не разрушились ядра). В 1985 году исследование Паабо вынесли на обложку журнала Nature, впервые прославив его как исследователя древней ДНК.
Вскоре Паабо познакомился с методом ПЦР, позволяющим быстро и дешево размножать в пробирке любые кусочки ДНК, многократно их копируя (теперь этот метод известен каждому — с его помощью делают тесты на ковид). ДНК со временем распадается на небольшие фрагменты. Но теперь любой обрывок ДНК, попавший в руки ученых, можно было быстро размножить и легко прочитать.
С помощью ПЦР Паабо успешно реконструировал фрагменты ДНК нескольких вымерших животных, в частности мамонта и плейстоценовой лошади. Изучать генетический материал древних людей оказалось сложнее — главной трудностью было не перепутать древние кусочки ДНК с похожими на них обрывками ДНК самого исследователя. Началась многолетняя борьба за идеальную чистоту и стерильность в лабораториях.
После того как было прочитано много отдельных фрагментов распавшейся древней ДНК, настало время сделать следующий шаг: найти кусочки с совпадающим генетическим текстом, наложить их друг на друга и восстановить из них ДНК целиком, как пазл.
В конце 1990-х Паабо удалось выделить из костей неандертальца и реконструировать митохондриальную ДНК. Это проще: она намного более короткая, чем наша главная ДНК в ядре клетки (митохондрии, энергетические станции клетки, когда-то были отдельными микроорганизмами и с тех пор сохранили свою собственную маленькую ДНК). А в 2010-м, после четверти века исследований, Паабо наконец добивается огромного успеха — публикует последовательность генома неандертальца. Вскоре эти данные начали менять «предысторию человечества»: мы узнали, что неандертальцы не тупиковая ветвь эволюции, а тоже наши предки; в геноме любого человека, кроме коренных африканцев, есть около 2% доставшихся от них «записей». Сравнивая найденные в разных местах ДНК, мы стали все больше узнавать о миграциях древних людей — например, поняли, что неандертальские гены наши предки получили не в Европе, а еще на Ближнем Востоке, около 70 тыс. лет назад, как только вышли из Африки.
Чтобы узнать больше, Паабо стал искать новые кости, чтобы выделять из них ДНК. Среди образцов оказалась и крохотная косточка, полученная от сибирских археологов, — ее нашли в Денисовой пещере. Полгода она лежала без дела и ждала своей очереди. А когда из нее выделили ДНК, оказалось, что полуистлевший кончик мизинца принадлежал девочке совершенно неизвестного нам антропологического типа. Вскоре весь мир услышал о Денисовой пещере и населявших ее денисовцах — таких же «двоюродных братьях» сапиенсов, как и неандертальцы, но гораздо более таинственных: мы совсем мало о них знаем. Впрочем, с каждым годом узнаём все больше. Анализ ДНК показал, что у них были карие глаза, смуглая кожа и темные волосы; некоторые представители вида были приспособлены к высокогорью (эти гены у них позаимствовали тибетцы). Оказалось, общие предки неандертальцев и денисовцев вышли из Африки около 600 тыс. лет назад, а потом разделились — предки неандертальцев повернули в Европу, а денисовцы стали постепенно заселять Юго-Восточную Азию и Океанию. В геномах многих народов, населяющих этот регион, есть следы ДНК денисовцев (до 7%). Денисова пещера — это самый север ареала обитания денисовцев.
В ХХ веке эволюцию человека представляли в виде линейного процесса: на входе бредет на задних лапах полусогнутая обезьяна, схватившая палку, а на выходе уверенно и гордо вышагивает белый мужчина. Теперь же выяснилось, что в древности Земля напоминала мир «Властелина колец», полный орков, эльфов, гномов: ее населяли разнообразные виды людей. Но по тем или иным причинам все они вскоре после прихода сапиенсов исчезли — то ли вымерли, то ли были ассимилированы.
Анализ ДНК останков еще одной девочки из Денисовой пещеры показал, что Денни — дочь отца-денисовца и матери-неандерталки. Если одна из нескольких случайно найденных косточек денисовцев принадлежала метису, то очень вероятно, что такие дети были обычным делом. А когда выяснилось, что отец девочки не простой денисовец, а тоже имеет неандертальцев в роду, вероятность превратилась в уверенность: «смешанные браки» между денисовцами и неандертальцами в те времена никого не шокировали.
Становится понятно, почему Паабо предпочитает называть неандертальцев и денисовцев не другими видами людей, а другими популяциями. Эти популяции встречались, воевали и поедали друг друга, обменивались технологиями и неоднократно скрещивались. А результатом этих контактов стали мы — современное человечество.
Год назад в журнале Nature вышла последняя из громких статей, написанных коллективом сотрудников Института археологии и этнографии Сибирского отделения РАН во главе с Анатолием Деревянко и лейпцигского Института эволюционной антропологии, где работает Сванте Паабо. Они использовали новый метод, приобретающий все большую популярность в археологии, палеонтологии и палеоантропологии: ДНК научились добывать и читать без всяких костей, прямо из почвы. Причем число образцов человеческой ДНК, добытых из грунта, оказывается на порядки выше того, что исследователи получали из костных останков. Любая почва заполнена распавшимися на мелкие фрагменты остатками ДНК огромной массы организмов, от бактерий до археологов, — вся проблема в том, как отделить генетический материал древних людей от всех прочих кусков ДНК. В 2010-е это научились делать: четыре года назад из осадочных пород Денисовой пещеры Паабо удалось достать и проанализировать ДНК неандертальцев и денисовских людей. А теперь он нашел там и сапиенсов, проанализировав 728 образцов осадочных пород из Денисовой пещеры.
Но до завершения поисков еще очень далеко. При встрече с одним из авторов этой статьи Паабо успел сказать, что предполагает наличие еще одной неизвестной ветви человечества, которая тоже скрещивалась с нашими предками и оставила следы в человеческом метагеноме.
Квантовые революционеры
Нобелевку по физике получили специалисты по квантовой механике — француз Ален Аспе, американец Джон Клаузер и австриец Антон Цайлингер, которые показали, что чудеса микромира, удивительное поведение элементарных частиц — не парадоксы на уровне формул, а реальность. Если в результате ядерной реакции получаются две частицы и их состояния оказываются связанными (запутанными), они ведут себя так, как будто «знают» друг о друге, даже если разлетятся на огромные расстояния, где точно не могут ничего друг другу «сообщить».
«Они провели новаторские эксперименты с использованием запутанных квантовых состояний, когда две частицы ведут себя как единое целое, даже когда разделены. Результаты их исследований открыли путь для новых технологий, основанных на квантовой информации», — объясняет свое решение Нобелевский комитет.
Микромир подчиняется совсем другим физическим законам, контринтуитивным для нас, обитателей срединного мира, — в нем все вероятностно, неопределенно и двойственно, ведь этим миром управляет не обычная механика, а квантовая. В ХХ веке квантовая механика была областью самых безумных теоретических спекуляций во всей науке: здесь одновременно жил и умирал кот Шрёдингера, Гейзенберг доказывал, что на квантовом уровне внешний мир не существует без наблюдателя, идеи Эверетта о бесчисленном множестве Вселенных соседствовали с интерпретацией Вселенной как голограммы…
В ХХI веке, во многом благодаря экспериментам нынешних лауреатов, квантовая механика становится прикладной дисциплиной, на основе которой возникает целый кластер новых технологий, меняющих мир. Если нанотехнологии — это молекулярные машины, способные манипулировать отдельными молекулами, то квантовые технологии опускаются еще на один уровень вглубь материи: они способны управлять отдельными атомами и даже отдельными элементарными частицами — фотонами и электронами.
Вообще говоря, технологии, использующие квантовые эффекты, появились более полувека назад, но были построены на коллективных физических свойствах больших ансамблей частиц вещества или света. Без квантовой механики не сделать ни бомбу, ни ядерный реактор. Свойства и технологии производства полупроводников — а значит, и вся современная цивилизация — тоже опираются на законы квантовой механики.
Но в ХХI веке происходит «вторая квантовая революция»; она привела к созданию настоящих квантовых технологий, которые работают с индивидуальными квантовыми объектами — отдельными атомами, электронами или фотонами. Например, чтобы построить квантовый компьютер, нужно найти такие физические системы, которые основаны на свойствах отдельного атома, научиться этими свойствами управлять, считывать состояние этого атома, превращая его в понятные нашему классическому миру показания приборов.
Гораздо более развитая по сравнению с квантовыми вычислениями группа квантовых технологий — квантовая связь, позволяющая создавать абсолютно защищенные каналы передачи информации, так что ее в принципе нельзя подсмотреть или скопировать так, чтобы об этом не узнал тот, для кого она предназначена. Квантовая связь основана на передаче информации с помощью квантовых состояний. Если две частицы связаны на квантовом уровне (запутаны) — например, если обе они образовались в результате распада некоей третьей частицы, — то параметры первой частицы, которые приобретают определенность только при их измерении, мгновенно передадутся второй частице, каково бы ни было расстояние между ними. Этот мгновенный перенос свойств одной частицы на другую Цайлингер (между прочим, иностранный член РАН) назвал квантовой телепортацией — и не просто назвал, но и впервые «телепортировал» информацию с одной частицы на другую.
Аспе, Клаузер и Цайлингер — физики-экспериментаторы, проложившие мостик между теорией и практикой. Все трое занимались экспериментальной проверкой принципов квантовой механики, пытаясь выяснить, действительно ли нелокальность, неопределенность и вероятностная природа — фундаментальные свойства микромира или проблема просто в нашем неточном описании этого мира, в том, что теория не учитывает каких-то скрытых параметров, а если их обнаружить, парадоксы устранятся и выяснится, что «Бог не играет в кости», как верил Эйнштейн. Но эксперименты наших лауреатов доказали, что все-таки играет: дело не в недостатках теории, а в том, что квантовый мир действительно таков.
Молекулярный конструктор
Нобелевская премия по химии в этом году присуждена американским химикам Барри Шарплессу и Каролин Бертоцци и датчанину Мортену Мельдалю — на этот раз именно за технологические и в этом смысле изначально очень практичные открытия: за новые методы органического синтеза.
81-летний Шарплесс стал пятым человеком в истории, получившим вторую Нобелевку. Созданная им «клик-химия» предлагает оптимизированный подход к синтезу органических молекул с целью поиска веществ с заданными свойствами. Смысл в том, чтобы синтезировать новые вещества не в сложном поиске из множества вариантов сложных химических реакций, а собирая молекулы как кубики с использованием небольшого набора удобных реакций, про которые известно, что они идут легко, с хорошим выходом, в нормальных условиях и без образования вредных примесей. И оказывается, что, пользуясь буквально несколькими базовыми реакциями как кликами-защелками, можно строить с их помощью массу интересного. Как объясняет один из соавторов Шарплесса, «слово “клик” призвано передавать чувство удобства и удовлетворения, подобное тому, которое испытывает человек, застегивая багажный ремень». Шарплесс оптимизировал процессы в существенной части органической химии, что важно практически для всего.
Мельдаль тоже внес важный вклад в развитие клик-химии, хотя решение о том, чей вклад существеннее, могло быть и другим: в группу исследователей Барри Шарплесса входил российский ученый Валерий Фокин, которого эксперты Thompson Reuters ранее тоже прочили на премию; но лауреатом он не стал.
В целом вручения Нобелевки за клик-химию ожидали, ведь этот подход радикально ускоряет и упрощает синтез (например, новых лекарств), а еще делает его возможным прямо в организме, поскольку клик-химия работает без высоких температур, ядовитых газов или большого давления.
Исследованием этих возможностей как раз и занималась Каролин Бертоцци. Она, как и Шарплесс, тоже давно звезда, и не только в науке — в 1980-е была клавишницей и бэк-вокалисткой в студенческой хэви-метал-группе с характерным названием Bored of Education, но и список ее наград за исследования в области биохимии занимает целую страницу. Главная тема исследований Бертоцци — как остатки сахаров прилепляются к белковым молекулам в мембранах наших клеток и о чем эти сахара, облепившие клетки, могут поведать ученым (один из ответов: о раке на ранней стадии).
Бертоцци хотела как-то пометить эти сахара, чтобы за ними наблюдать, — например, с помощью методов клик-химии прицепить к ним молекулы, светящиеся в ультрафиолете. Но для «замочка»-катализатора в классической клик-химии используется медь, токсичная для живой клетки. После долгих экспериментов Бертоцци смогла модифицировать «замочки» — теперь реакция шла без меди. В результате исследовательница смогла по принципу клик-химии присоединять молекулы к нужным фрагментам клетки и создала новый метод наблюдения. С помощью разработок Бертоцци стало возможным проводить направленные химические реакции на поверхности живых клеток, не повреждая их.
Палеогенетика практична
Комментирует Алексей Лопатин, академик РАН, директор Палеонтологического института им. А. А. Борисяка РАН, заведующий кафедрой палеонтологии МГУ.
Открытия Сванте Паабо были бы невозможны без многолетней работы российских ученых, прежде всего археологов и антропологов — большой научной группы во главе с академиком Анатолием Пантелеевичем Деревянко и членом-корреспондентом РАН Михаилом Васильевичем Шуньковым. В работе в знаменитой Денисовой пещере много лет участвует и Палеонтологический институт имени А. А. Борисяка РАН. В свое время именно у нас в институте реставрировался самый первый найденный зуб «человека денисовского» (он же «денисовец» и «человек алтайский»). Что касается палеогеномных исследований, в этой области в России имеются хорошие заделы по изучению древней ДНК различных организмов, есть необходимые компетенции и кадры, есть многочисленные результаты мирового уровня. Древней ДНК животных и человека активно занимается группа академика Евгения Ивановича Рогаева в Институте общей генетики имени Н. И. Вавилова РАН и на биологическом факультете МГУ. В будущем это направление обещает много важных практических приложений: от получения устойчивых к различным стрессовым факторам сортов растений до новых методов в эпидемиологии и новых способов борьбы с деменцией и болезнью Альцгеймера.
Это уже используется
Комментирует Сергей Кулик, доктор физико-математических наук, научный руководитель Центра квантовых технологий МГУ.
Простому человеку очевидную пользу в этом открытии найти сложно. Тем более что это и не совсем открытие. В теории все было давно известно, основополагающие принципы сформулированы еще отцами-основателями квантовой механики. Просто не было эксперимента, который подтверждал бы теоретические предположения. Нобелевские лауреаты Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер сумели выстроить стройную интерпретационную систему и продемонстрировать в экспериментах с фотонами, что выводы квантовой теории совершенно адекватны. Фактически они совершили переворот в головах физиков и научили их не бояться того, что выводы квантовой теории противоречат нашему представлению о мире.
Результаты их исследований используются в специальных приложениях для создания систем очень сильной связи, которые уже разработаны и серийно выпускаются как в мире, так и в РФ; для создания высокочувствительных сенсоров в медицине, геологоразведке, логистике и так далее. Они будут применяться и для создания квантовых компьютеров — в той части, которая относится к технологии фотонных чипов.
Кстати, школа мировой квантовой оптики во многом базируется на исследованиях СССР, в частности на работах 1967 года по спонтанному параметрическому рассеянию света Давида Николаевича Клышко. В России сейчас тоже есть очень сильные группы, которые развивают это направление. Подтверждением служит тот факт, что один из нобелевских лауреатов Антон Цайлингер год назад приезжал в Россию, читал лекции по квантовой механике на выездной школе МГУ.
Лекарства с адресной доставкой
Комментирует Валентин Ненайденко, доктор химических наук, заведующий кафедрой органической химии МГУ.
Представьте, что есть два разных кирпичика, красный и желтый, и их нужно скрепить между собой. «Замочком», который в данном случае используется, становится превращение, которое называется клик-реакцией. Один из кирпичиков имеет азидную группу, другой — ацетиленовую, и благодаря этой реакции они взаимодействуют очень легко, эффективно, с высоким выходом, без образования побочных токсичных продуктов. Такой подход легко применим для практических целей — например, в области создания новых противораковых лекарств с адресной доставкой. Один кирпичик в молекуле будет выполнять роль курьера, другой, прикрепленный к нему, — обеспечивать лечебный эффект, направленный на уничтожение опухоли. Их задача — работать селективно, не подвергая опасности здоровые клетки и органы. На основе этих исследований за рубежом уже созданы лекарства, они находятся на последней стадии клинических испытаний и в ближайшее время будут выпущены на рынок. В России клик-реакцию активно изучают в фундаментальной части, все крупные научные центры по химии проводят такие работы. Мы на кафедре занимались синтезом азидопептидов и их последующей сшивкой с различными биологически активными молекулами и даже созданием модифицированных лекарств, содержащих ацетиленовый фрагмент. В последнее время активно изучаем направление, за которое свою часть премии получила Бертоцци, — реакцию с напряженными циклическими ацетиленами. В частности, разрабатываем синтез нового семейства напряженных циклических ацетиленов, которые могли бы храниться при комнатной температуре и использоваться как эффективный инструмент в клик-реакции.
Фото: Андрей Константинов, Ален Аспе:EPA/Mohammed Badra, EPA/John G. Mabanglo/ТАСС, AP PHOTO/Theresa Wey
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl