„Някои от най-сложните загадки в еволюцията вече стават достъпни за изследване!“

Интервю с проф. Шон Б. Карол, автор на „Безкрайни форми най-красиви“

Като дете четях Конан Дойл, и той има една чудесна книга - не за Шерлок Холмс, а за учени. В нея има един герой, професор Чалънджър, който е силно против идеята учените да „пилеят време“, популяризирайки науката. Има един известен пасаж, в който той казва: „Не правете тази грешка. Професор Уордли, с цялото ми уважение, е паразит“ - използва труда и усилията на изследователите, за да печели популярност.

Аз самият популяризирам науката, макар и не в такъв мащаб. Какво е вашето мнение? Трябва ли да „пилеем“ време за популярни интервюта, книги, филми? Между другото, видях, че имате филм от 2022 г., който още не съм гледал.

Според мен науката има важна роля в нашата, в глобалната култура. Ако мога да кажа така, науката вероятно е най-близо до идеалите на ООН от всички други човешки начинания. Ето ни – говорим си, идвайки от напълно различни среди. Знаем, че има определени норми за това как учените общуват по света, как си сътрудничат, как споделят информация. Научната общност има много какво да предложи на обществото – както за това как мислят учените, така и за това как работят заедно. Това всъщност е доста позитивна история в повечето случаи.

Това, което откриваме – и мисля, че е важно за нашата култура – е, че приключението да изследваш природата и да разкриваш как работи тя е нещо, което обществото може да оцени и от което може да извлече смисъл. Науката има много какво да даде на културата, както го правят изкуството, музиката или литературата. Но тя може да направи този принос само ако активно се полагат усилия тези открития и прозрения да достигнат до хората – а това обикновено става с медиите: книги, подкастове, филми и т.н.

Това е по-идеалистичната гледна точка за ролята на науката в културата. Но има и много практична: в повечето страни обществото финансира науката.

За да има обществена подкрепа, хората трябва да разбират какво правят учените, защо го правят, какво откриват и как това може да повлияе на живота им. Учените трябва да участват в този разговор. Не може да се оставя само на трети страни. Ние имаме много какво да споделим, защото сме „пътешествениците“ – тези, които навлизат в непознатото, виждат неща, които не са били виждани, имат напълно нови идеи. Разбира се, че трябва да споделяме това.

Обикновено, когато човек трябва да обясни нещо сложно – а това е сериозно усилие, – трябва да отдели време да помисли как да представи, например, концепцията за Хокс гените на широката публика.

Но обикновено хората започват рационализацията така: „Учените трябва да участват в публичната комуникация, за да убедят обществото да финансира науката.“ А това е само една от причините. Вие го формулирахте много добре: нашата роля е и да покажем на широката публика, че науката има равностоен принос за човешката култура, наред с изкуството, литературата и всичко останало.

Да се върнем към книгата ви; „Безкрайни форми най-красиви“: отново, какво заглавие!

Откраднах го от Дарвин. (смее се)

Разбира се, води към Дарвин, но и Стайнбек прави същото. И Хемингуей го прави, но с Библията. Така че имате чудесен пример.

В книгата си подчертавате ролята на генната регулация вместо „изобретяването“ на нови гени. Как тази промяна в гледната точка промени разбирането ни за еволюцията в сравнение с по-ранните, генно-центрирани възгледи?

Мисля, че имах късмета да бъда част от една революционна промяна в мисленето – промяна, която дойде, защото най-накрая успяхме да получим отговори на някои въпроси. Когато завършвах като студент, или бях на път, нито един от гените, свързани с изграждането и моделирането на тялото, още не беше изолиран. Само се носеха слухове. Трябваше да обикаляш и да разпитваш.

Тогава очакванията – а аз правех докторантура по имунология, работейки основно с бозайници – беше, че формирането на мишката или човека няма нищо общо с формирането на плодовата муха. Това бяха напълно различни клонове на животинското царство: ние имаме кости, мухите нямат; ние имаме големи мозъци, те нямат и т.н.

Когато за първи път бяха изолирани гените, т.нар. Хoкс гени, и когато много бързо се установи, че имат аналози в целия животински свят – включително при нас – и че са подредени в клъстери, както при плодовата муха, това беше шок. Вълнуващо, невероятно, но шокиращо. Това наложи пълно преосмисляне. Не знам за никой, който да е предвидил подобен резултат. Никой биолог не очакваше, че един и същ набор гени ще управлява изграждането на толкова различни животни като червеи, мухи, хора и слонове.

И това те кара да се запиташ: „Какво означава това? Ако има общи гени, участващи в изграждането на тялото, какво ни казва това?“ Първото заключение е, че голяма част от животинското царство е конструирана с подобен „инструментариум“ от гени.

Така че правиш огромен концептуален завой: от идеята, че организмите нямат нищо общо, към осъзнаването, че имат много общо. Но въпреки това ние сме различни животни от плодовите мухи. Пеперудите са различни от тях, омарите – от скаридите. И тогава идва въпросът: „Какво ги прави различни, ако използват сходни гени?“

Това е една от основните идеи на „ево-дево“ (еволюционно-развойната биология): тези гени са споделени, но се получават различни животни, защото гените се използват по различен начин – както използвате по разни начини инструментите в работилницата си, за да сглобите различни неща.

Не знам дали отговарям точно на въпроса ви, но голямата промяна в мисленето беше предизвикана от тези шокиращи открития. Ако гените са толкова сходни, тогава откъде идва разнообразието? То идва от различните начини, по които се използват и проявяват.

Споменахте, а и аз често подчертавам в лекциите си великата мисъл на Теодосий Добжански: „Нищо в биологията няма смисъл, освен в светлината на еволюцията.“

Много хора все още смятат, че еволюцията се движи основно от мутации в протеин-кодиращите гени. Защо генната регулация е толкова ключова част от пъзела? Оставям настрана онези хора, които смятат, че еволюцията е „избор на вярване“ – за тях няма да говорим.

Да, няма. Защо регулацията е толкова важна? Част от обяснението е историческа. Дълго време, когато разчитахме ДНК, можехме да разчитаме основно частите, кодирани в протеини. Генетичният код беше разчетен през 60‑те години. А когато биолозите анализират клетки, тъкани или кръв, те обикновено гледат протеини. Затова имахме много протеино‑центрична представа за живота. Но не бяхме разгледали „хореографията“ на всичко това. Нека започна оттам.

Представете си следното: от една единствена оплодена яйцеклетка – една клетка – трябва да се получат, в зависимост от организма, трилиони клетки, диференцирани в стотици типове, организирани в тъкани и органи. Откъде идва тази хореография? Това е балет от време и пространство. Събитията трябва да се случват в определен ред и на определени места едно спрямо друго. Тази информация е в генома, в ДНК, но трябва да се разгърне. Това е регулацията: тя определя кога и къде гените да бъдат активни или неактивни. Именно тази хореография е нужна, за да се изгради сложен организъм.

Начинът, по който го обяснявам най-просто, е следният: развитието е едно от най-зрелищните явления на планетата – една клетка се превръща в сложен организъм. Всеки родител може да оцени това, минавайки през него – просто е безкрайно удивително.

Още от времето на Аристотел хората са се удивлявали как за 21 дни можеш да наблюдаваш ден по ден развитието на едно пиле. Но каква е разликата? Аристотел е имал само силата да наблюдава. Той е казвал: „Добре, ще чупя това яйце ден по ден – първи ден, втори ден…“ И така стига до идеята за преформацията. Но днес имаме инструменти. Имаме модерни лаборатории и разбирането ни за тези процеси е много по-развито от тогава.

Точно така. А това, което развойните биолози от 80‑те години – и аз бях един от тях – можехме да правим, беше да създаваме изображения като тези зад вас. Можехме да наблюдаваме ембрионите момент по момент и да виждаме химичните промени, които се случват в тях, още преди да се появят физическите промени.

Да виждаме с просто око или под микроскоп образуването на определена тъкан, на определен придатък и т.н. Разбрахме, че има огромна генетична активност, която предшества появата на органи, тъкани и структури. Без това разбиране за развитието нямаше да има „ево‑дево“. „Дево“ беше огромна революция в биологията – в разбирането ни как се изграждат сложните организми.

И когато веднъж разбереш, че има такава хореография, следващата стъпка – надявам се не твърде голяма – е да осъзнаеш, че физическите различия между организмите възникват от промени именно в този процес. Малко „побутване“ тук, малка промяна там — и получаваш нещо по-голямо, по-малко, започваш да го изграждаш по-рано или го поставяш на друго място. Всички тези промени по време на развитието водят до разнообразието от организми, които виждаме в природата.

Развитието и еволюцията са тясно свързани. Развитието е създаването на отделния индивид, а еволюцията – появата на различните видове чрез промени в тази програма на развитие. И всичко това е въпрос на регулация, защото животните имат много общи гени, но начинът, по който ги използват – във времето и пространството – там възникват истинските различия.

Това ме води към следващия въпрос. „Ево-дево“ (еволюционно-развойната биология) е много сложна област, която обединява генетика, ембриология и еволюция. Какви бяха най-големите предизвикателства при интегрирането на тези дисциплини в едно цяло? Защото сега аз работя в областта на астробиологията — това е, да кажем, последната стъпка в кариерата ми. Аз съм директор на нашата магистърска програма по астробиология. А астробиологията, както знаете, е огромна област с много взаимосвързани дисциплини. И срещам доста напрежение, когато трябва да насоча усилията на екипа ни в една посока – или поне в три.

Както споменахте, „ево‑дево“ обединява различни дисциплини: развойна биология (или ембриология), генетика – защото гените са това, което се променя и върши работата във времето и пространството – и еволюционна биология в широк смисъл. Някои от най-ентусиазираните относно „ево‑дево“ бяха палеонтолозите. Те виждат дълбоката история на живота. Те знаят, че птиците произлизат от динозаври, историята на бозайниците и т.н. Новото, което „ево‑дево“ донесе, беше възможността да задаваме въпроси за произхода на структурите, за произхода на самите организми. Например: как перката на рибата се е превърнала в ходило? Палеонтологията ни казва, че това се е случило, но „ево‑дево“ ни позволява да разберем как – като сравняваме какво се случва в различни организми: едни с перки, други с ходила – какво е общото…и какво е различното.

Така палеонтологията се интегрира в областта. Същото важи и за популационната генетика, която се занимава с вариациите в популациите. Еволюцията е огромна по мащаб – тя разглежда процесите както момент по момент, така и в контекста на 3,8‑милиардната история на живота.

И „ево‑дево“ се появява и пита: „Как? Как възникват различията между организмите? Как се появява нова структура? Как се „рисува“ петно върху крилото на пеперуда? Как се променя броят на крайниците при гъсеница или скарида?“ Преди пробива на „ево‑дево“ не можехме да отговорим на тези въпроси, защото нямахме представа как се изграждат животинските или растителните форми. Бяхме просто зрители на този невероятен спектакъл – наблюдавахме развитието, но не знаехме какво се случва отвътре. Затова не знаехме и какви точно промени водят до появата на различни организми или структури.

Така че „ево‑дево“ е силно интегративна. И трябва да кажа нещо важно – тя има огромен естетически елемент. Хората обичат природата. Ако обичате цветя, еволюцията на цветята е интересна. Ако обичате животни – еволюцията на животните. „Ево‑дево“ позволява да се докоснете до тази любов към природата и разнообразието, защото търсите обяснение как е възникнало то.

И има силно естетическо измерение – наблюдаването на развиващи се ембриони е красиво. Като изображенията зад вас – това е красиво. И това привлече много талантливи хора. В началото на 80‑те години не беше ясно, че „ево‑дево“… дори нямаше това име. Не беше ясно, че тази посока на изследване ще избухне.

Но когато започна да дава наистина вълнуващи резултати и стана ясно, че все повече въпроси стават достъпни за изследване, тя привлече много талантливи учени от различни области, които си казаха: „Искам да разбера как възниква разнообразието в животинското царство.“ Това обединява гледни точки и експертиза от много различни области.

Понеже споменахте палеонтологията – защо някои форми никога не се появяват, въпреки че изглеждат възможни? Чудя се, защото в научната фантастика, че и в другите жанрове, често срещаме такива идеи. Защо няма животни с колела? Или птици, които използват нещо като квадрокоптери вместо крила?

И защо например няма шестокраки бозайници? Има хексаподи, но защо няма шестокраки бозайници? Това е въпрос, който тормози много млади зоолози, да го кажем така.

Да, можем да се забавляваме дори още повече с тези въпроси. Има ги от 40–50 години. Но днес можем да се забавляваме още повече, защото знаем много повече за „програмата“, която изгражда тези структури. И започваме да питаме: „Добре, защо няма шестокрако животно?“ Можеш ли да модифицираш нещата така, че…? И стигаш до мисълта: може би е твърде трудно да преминеш от четири към шест.

Вероятно не е толкова трудно да преминеш от шест към четири, или от осем към четири, или дори от дванайсет към четири. Но да преминеш от четири към шест – при всички други неща, които организмът трябва да изгради – може би просто е невъзможно. Но после поглеждаш към бозайниците и виждаш, например, еволюцията на водните бозайници от сухоземни им предци.

Доста е впечатляващо, нали?

Четирикраките животни произлизат от риби. Рибите излизат на сушата и дават началото на четирикраки животни, а после част от тези четирикраки се връщат обратно във водата като водни бозайници. Това не е шестокрако животно, но е невероятно постижение на еволюцията. Така че можеш да избираш – можеш да се забавляваш, изучавайки това, което се е случило, или да се забавляваш, представяйки си какво не се е случило и защо.

Всъщност можем да правим доста неща – например с пилешки ембриони. Ако добавиш протеин FGF8 , можеш да получиш още един апикален ектодермален ръб между крайника и крилото. Тоест можем да създаваме всякакви шантави неща в лабораторията – но те не се случват в природата по някаква причина.

Може би просто не биха се конкурирали добре с останалите четирикраки или крилати животни. Но това ни показва, че има огромен потенциал. Кои еволюционни пътища се развиват, зависи от много, много фактори. А палеонтолозите ни напомнят, че в миналото са съществували наистина невероятни създания. Никой не би повярвал, че динозаврите могат въобще да съществуват, ако хълмовете ни не бяха осеяни с техните останки.

Имало е удивително разнообразие от същества — огромни, странни, невероятни. И много от тях вече не са тук.

Това, което често не осъзнаваме, е колко огромен брой видове са изчезнали и нямаме представа за тях, защото не са ни оставили фосилни следи.

Харесвам ранното описание на Дарвин, че земната кора е „огромен музей“, от който малко е изследвано и малко е запазено. И въпреки това – независимо дали говорим за епохата на Дарвин или за много по-късно – това, което палеонтолозите са открили, ни е научило на изключително много за историята на живота и за историята на нашия собствен вид. И най-хубавото е, че има още много, много фосили, които предстои да бъдат открити.

Все още смятам, че живеем в Златен век на палеонтологията, но си е тежка работа. Трудно е да се намират нови неща.

Като говорим за модерни инструменти - например CRISPR или Prime editing (технологии за редактиране на ДНК), които вече имаме, – как виждате развитието на експерименталната еволюционна биология през следващото десетилетие? Стоим на прага на много интересна епоха.

Ако вземем CRISPR за пример – тази способност да правим много прецизни генетични промени е изключително мощен начин да тестваме хипотези за това какво се е случило в еволюцията. Една от любимите ми области е един красив природен феномен, описан от съвременник на Дарвин – Хенри Уолтър Бейтс, – описан като мимикрия, или по-точно „Бейтсианска мимикрия“. Това е, когато несвързани видове започват да си приличат, защото селекционният натиск ги тласка към подобен външен вид – например при пеперудите. Мимикрията е зрелищно явление и се среща по целия свят. Но при пеперудите е особено впечатляваща – така е била и открита от Бейтс.

И когато се появи CRISPR, идеите ни за мимикрия станаха експериментално достъпни. Хората вече имаха насоки кои гени участват. Днес изследователите, които работят върху шарките на пеперудени крила, могат буквално ежедневно да ги манипулират с CRISPR. Така важни еволюционни въпроси стават достъпни за изследване. Има много умни хора, които използват тези инструменти, измислят нови и усъвършенстват съществуващите.

Така че някои от най-трудните загадки в еволюцията – произходът на структурите, явленията като мимикрията – стават достъпни за изследване, защото тези инструменти ни позволяват да правим много прецизни експерименти и да тестваме хипотези с висока точност. Това предвиждам за следващите години.

И още нещо – тези генетични инструменти ни позволяват да работим практически с всеки вид.

Преди десетилетия по-голямата част от изследванията се извършваше върху шест-седем вида: бактерията Ешерихия коли, хлебната мая, Arabidopsis, дрозофила, мишки… Отчасти защото върху тях можеха да се прилагат класически методи за генетична селекция. Днес вече не се нуждаем от класическата селекция – можем да изучаваме диви организми, можем да работим с видове, които никой преди не е изследвал. Тези генетични инструменти правят достъпна за нас практически цялата биосфера. Това е изключително мощно – вече не сме ограничени само до седем–осем модела, като беше за десетилетия. Можем да се впуснем в напълно нови неща и да правим много сложни експерименти.

Като говорим за сложни експерименти, се сетих за експериментите на Джак Хорнър. Той искаше да създаде „пиле-раптор“.

Или „дино-пиле“, както и да го наречете, да.

„Дино-пиле“, нещо такова. И той всъщност е доста напред в това направление. Можем ли да очакваме малки Джурасик паркове или мини‑велосираптори в домовете си?

Мисля, че е разумно да кажем…преди да отговоря, ще кажа нещо заради възрастта си. Не мога да повярвам какво се случи в биологията през моята кариера. Напълно неразгадаеми пъзели бяха буквално разбити. Днес секвенираме геноми на сложни организми почти мигновено. Така че е много трудно да се правят прогнози – освен тази: всичко се развива по-бързо, отколкото някой очаква.

Да, ще виждаме все повече опити за „възкресяване“ на изчезнали черти, ако не и на цели организми. Има хора, които работят върху възстановяване на птицата  Додо, други – върху вълнестия мамут. Предизвикателството е колко генетична информация имаме за изчезналия вид и какъв заместител можем да използваме, за да го върнем. Можем ли да използваме съвременни слонове, за да износят мамут? А за птицата Додо — трябва да намерим начин да модифицираме яйце и да се опитаме да я създадем.

Ако искаш да направиш птица, която е по‑близка до динозавър, да – започваш с пиле и постепенно въвеждаш определени характеристики. Може да звучи малко като „Джурасик парк“, или като учени, които си нямат работа, но точно този тип изследвания изисква изобретяването на нови инструменти, които после намират широко приложение. Понякога тези много трудни задачи – като опитите да върнем изчезнал вид – ни карат да се питаме дали това е добро използване на средства. Но обикновено това е просто идея – вдъхновяваща идея, която стимулира мисленето и води до ползи сама по себе си. Има една фраза, която много харесвам, от книга вероятно от 30‑те години: „полезността на безполезното знание“.

Може да изглежда безполезно или да звучи като учените да са се отплеснали, но много често точно това поражда креативност и изобретения, които после стават широко приложими. Така че ще има опити да се върнат изчезнали видове или черти от тях в съвременни животни. Не мисля, че ще правим мащабни екологични експерименти с тях — имаме достатъчно екологични проблеми и с настоящите видове. Но изследваме способността си да манипулираме гени и да създаваме черти, и това вероятно скоро ще има и медицински приложения.

Ние сме уникален вид, защото можем да манипулираме собственото си размножаване. Когато преподавам за развитието на бозайниците, започвам лекцията с въпрос: „Какъв е типът размножаване и какъв е типът оплождане при бозайниците?“ Студентите казват: „Вътрешно, разбира се.“ И аз питам: „А външно?“ – „Не, не.“ – „Ами ин витро?“ И тогава казват: „Ааа, да.“

Стигнали сме много далеч. Но ако трябва да актуализирате „Безкрайни форми най-красиви“ днес, кои нови открития или перспективи бихте включили?

Бих включил някои от класическите еволюционни загадки, които днес разбираме много по‑добре – особено произхода на структурите.

Например произхода на крайниците при гръбначните — структура, която е изключително важна за нас. Или явления като мимикрията - много богата и красива картина, когато разбереш тайната ѝ . И отново виждаме как същите стари гени вършат нови неща. Това е нещо, което подчертавам и в „Безкрайни форми…“ – че изобретяването често е въпрос на това да научиш старите гени на нови номера. Днес имаме още повече примери за това, което ни дава по‑богата представа за произхода на разнообразието на живота.

Бих избрал няколко красиви и завладяващи примера за произход на структури или за мимикрия.

Може би и някои примери за конвергенция. Изключително е интересно да видиш как независими линии на организмите стигат до сходни решение – и да се зачудиш дали са използвали един и същ път или напълно различни. Това са класически загадки, които природолюбителите са обсъждали от векове, а „ево‑дево“ хвърли светлина върху тях. Това бих избрал.

Страхотна идея. И не мога да пропусна въпроса за астробиологията. Какви уроци от „ево‑дево“ могат да се приложат там? Вярвам, че в рамките на нашия живот ще се сблъскаме с – може би не в директен контакт с живот извън Земята, но поне с фосилни следи от такъв живот.

Имам предвид откритията в кратера Джезеро (Марс), както и бъдещите мисии – Europa Clipper, Dragonfly, която се надяваме да бъде изпратена към Титан…

Това би било едно от най-вълнуващите открития в историята на човечеството. Повечето учени смятат, че има живот някъде там. Аз лично мисля, че може да е доста разпространен – на микробно ниво. Не говоря за жирафи и секвои. Но през цялата човешка история сме имали изцяло геоцентричен поглед към живота. Размишляваме за възможността за живот другаде, но ако наистина се изправим пред неговото съществуване и история, това би било изключително вълнуващо.

Уроците на „ево‑дево“ за астробиологията не се различават много от уроците на еволюционната биология като цяло. Някои правила на еволюцията вероятно важат навсякъде във Вселената. Ако животът е форма, която се репликира, и ако има вариации между тези репликиращи се форми, тогава естественият отбор ще действа. Ще има линии на произход, предци и потомци. Много от общите правила на еволюцията, които сме открили, вероятно ще важат и там – видообразуване, изменяне във времето…

Но очаквам, че животът ще бъде предимно микробен, клетъчен – както беше на Земята през първите три милиарда години. Ако посетите Земята – през по-голямата част от нейната история животът е малък и микробен.

Мисля, че това ще открием и във Вселената. И се надявам – бих искал – да видя наистина конкретни доказателства в рамките на живота си, защото това би било едно от най-вълнуващите открития, които човечеството може да направи.

Интервю на д-р Петър Ефтимов