Слепой часовщик. Как эволюция доказывает отсутствие замысла во Вселенной

Между этими двумя способами — вертикальной и горизонтальной передачей заложенной в ДНК информации — имеется основополагающее различие. Вертикально информация переносится в ДНК тех клеток (из которых образуются другие клетки), из которых в конечном итоге образуются сперматозоиды и яйцеклетки. Так она передается новому поколению, а затем, снова по вертикали, неопределенному числу последующих поколений. Эту ДНК я буду называть “архивной”. Она потенциально бессмертна. Непрерывный ряд клеток, по которому путешествует архивная ДНК, называется зародышевым путем или зародышевой линией. Зародышевая линия — это группка тех клеток организма, которые являются предками сперматозоидов или яйцеклеток, а значит, и предками последующих поколений. Кроме того, ДНК передается в стороны, или горизонтально, — в ДНК клеток, не относящихся к зародышевой линии, таких как клетки печени или кожи. Далее — в РНК, затем в белок и во всевозможные воздействия на развитие эмбриона, а следовательно, и на форму и поведение взрослого организма. Горизонтальную и вертикальную передачу можно считать реальными аналогами описанных в главе 3 компьютерных алгоритмов РАЗВИТИЕ и РАЗМНОЖЕНИЕ.

Неодинаковый успех соперничающих ДНК при вертикальной передаче по архивам вида — это и есть естественный отбор. Под “соперничающими ДНК” имеются в виду альтернативные варианты содержимого одних и тех же адресов в хромосомах данного вида. Некоторые гены сохраняются в архивах более успешно, чем их соперники. И хотя в конечном счете “успех” — это вертикальная передача по архивам вида, тем не менее критерием успеха обычно является действие, которое гены оказывают на организмы при боковой передаче. Это тоже аналогично тому, как обстояло дело в компьютерной модели с биоморфами. Предположим, например, что у тигров встречается некий особый ген, горизонтальное распространение которого влияет на клетки челюстей таким образом, что зубы получаются чуть более острыми, чем у носителей гена-соперника. Тигр с такими сверхострыми зубами сможет убивать добычу эффективнее, чем обычный тигр. Следовательно, он оставит больше потомства. Следовательно, он передаст по вертикали больше копий гена, делающего зубы более острыми. При этом, разумеется, он будет передавать и все остальные свои гены, но только этот конкретный “ген острозубости” будет в среднем встречаться в телах острозубых тигров чаще других. Усредненный эффект гена на весь ряд организмов, в которые он попадает, приносит пользу и самому гену, если под пользой понимать вертикальную передачу следующим поколениям.

Эффективность ДНК как средства для хранения информации просто поразительна. ДНК сберегает содержание своих записей намного лучше, чем каменные таблички. У коров и у гороха (так же как и у всех остальных, включая нас) имеется практически один и тот же ген, который кодирует белок H4. Это текст ДНК длиной 306 знаков. Мы не можем сказать, что у всех видов он занимает одни и те же адресные ячейки, поскольку сопоставлять адреса ячеек у разных видов бессмысленно. Но мы можем с полным правом констатировать, что у коров имеется последовательность из 306 знаков, практически идентичная некой 306-знаковой последовательности у гороха. Из всех этих 306 знаков у коров и гороха не совпадают только два. Как давно жил общий предок коров и гороха, точно не известно, но, судя по геологической летописи, можно заключить, что было это где-то между 1000 и 2000 млн лет назад. Сойдемся на полутора миллиардах. За столь невообразимо долгий (по человеческим меркам) период обе эти ветви эволюции, отделившиеся от далекого предка, сумели сохранить по 305 символов из 306 (это в среднем; возможно, кто-то сохранил все 306, а кто-то — только 304). Надписи, высеченные на каменных надгробиях, становятся неразборчивыми всего лишь через несколько столетий.

В каком-то смысле сохранность ДНК-документа “гистон H4” — это даже еще большее чудо, поскольку, в отличие от каменных плит, здесь текст не хранится постоянно на одном и том же физическом носителе, а многократно копируется из поколения в поколение подобно священным иудейским книгам, которые ритуально переписывали каждые 80 лет, дабы предотвратить их обветшание. Сколько раз этот документ переписывался в ряду поколений, соединяющем корову или горох с их общим предком, оценить трудно, но, вероятно, речь идет где-то о 20 млрд снятых одна с другой копий. Также трудно найти и адекватный эталон, с которым можно было бы сопоставить сохранность более чем 99 % информации после 20 млрд последовательных актов копирования. Давайте попробуем следующую версию игры в испорченный телефон. Представьте себе 20 млрд машинисток, сидящих в ряд. Этот ряд мог бы опоясать Землю 500 раз. Первая машинистка печатает страницу документа и передает ее своей соседке. Та перепечатывает и отдает следующей машинистке свою копию. Следующая снова перепечатывает, и т. д. Когда текст дойдет до конца, мы прочтем его (точнее, не мы, а наши прапрапра… 12 тыс. раз “пра”… правнуки, если исходить из допущения, что все машинистки печатают на хорошей, профессиональной скорости). Насколько он будет близок к оригиналу?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны получить представление о качестве работы наших машинисток. Давайте сформулируем его иначе. Насколько аккуратно должна работать машинистка, чтобы приблизиться по точности к ДНК? Ответ будет выглядеть почти что абсурдно. Как бы то ни было, он таков: машинистка долж на ошибаться не чаще одного раза на триллион знаков. Это значит перепечатать Библию целиком 250 тыс. раз подряд и допустить всего одну опечатку. В реальности хороший секретарь-машинист делает примерно одну опечатку на страницу, что где-то в полмиллиарда раз превышает частоту ошибок при копировании гена гистона H4. От нашего текста останется 99 % исходных печатных знаков, уже когда он попадет к 20-й машинистке из 20 млрд. А десятитысячная машинистка получит копию, содержащую менее 1 % от оригинала. Это практически полное уничтожение первоначального текста произойдет прежде, чем его увидят 99,9995 % машинисток.

Вся эта аналогия была слегка неправомерной, но в очень интересном и поучительном смысле. Я пытался создать впечатление, будто мы сравниваем скорость накопления ошибок при копировании. Однако документ “гистон H4”не только копировался, но и подвергался воздействию естественного отбора. Гистоны организму жизненно необходимы. Они используются при строительстве хромосом. Возможно, при копировании гена гистона H4 происходило намного больше опечаток, просто мутантные организмы не выживали или по меньшей мере не размножались. Чтобы метафора стала корректной, мы должны были добавить, что в кресло каждой из машинисток встроено ружье, причем оно подсоединено таким образом, что стоит только машинистке сделать ошибку, как она будет мгновенно застрелена и заменена на запасную (возможно, слабонервные читатели предпочли бы представить себе катапульту, легонько выбрасывающую провинившуюся машинистку из ряда, но ружье дает более ясные представления о естественном отборе).

Получается, что измеряя консервативность ДНК путем подсчета тех изменений, которые действительно произошли в течение геологических эпох, мы оцениваем сочетание собственно точности копирования с отфильтровывающим действием естественного отбора. Мы видим только последствия удачных опечаток. Те, которые приводили к смерти своих обладателей, до нас очевидным образом не дошли. Можем ли мы оценить истинную, рабочую точность копирования, до того как естественный отбор примется за новое поколение генов? Да, можем: это число будет обратным той величине, которая называется частотой мутаций и вполне подается измерению. Вероятность того, что при однократном снятии копии любая конкретная буква будет скопирована неправильно, составляет чуть больше единицы на миллиард. Разность между данной частотой мутаций и более низким уровнем тех изменений, которые ген гистона претерпел в ходе эволюции на самом деле, может служить мерой того, насколько бережно естественный отбор хранил этот старинный документ.

Консервативность этого гена, дошедшего до нас сквозь эоны, является по генетическим меркам исключительной. Другие гены меняются с большей скоростью — вероятно, потому что естественный отбор терпимее относится к их изменчивости. Так, например, скорость эволюционных изменений генов, кодирующих белки фибринопептиды, приближается к базовой частоте мутаций. Это может означать, что ошибки в частностях строения этих белков (вырабатываемых в процессе свертывания крови) не играют большой роли для организма. Гемоглобин по скорости изменения своих генов занимает промежуточное положение между гистонами и фибринопептидами. По-видимому, и степень терпимости естественного отбора к ошибкам в этом случае промежуточная. Гемоглобин в крови делает очень важное дело, и детали его структуры действительно имеют значение, но похоже, что несколько альтернативных вариантов этой структуры справляются со своими задачами одинаково хорошо.

Тут мы сталкиваемся с тем, что на первый взгляд может показаться парадоксом. Те молекулы, которые эволюционируют медленнее всего, — гистоны — оказываются наиболее подверженными действию естественного отбора. Фибринопептиды же эволюционируют с наибольшей скоростью, потому что естественный отбор почти полностью их игнорирует, и они вольны изменяться так часто, как часто происходят мутации. Парадоксальным это кажется по той причине, что мы очень много говорим о естественном отборе как о движущей силе эволюции. Следовательно, если бы не было естественного отбора, то, по идее, не было бы и эволюции. И наоборот, можно было бы подумать, что мощное “давление отбора” должно приводить к быстрым эволюционным преобразованиям. А вместо этого мы обнаруживаем, что естественный отбор эволюцию тормозит. Фоновая скорость эволюции — без естественного отбора, то есть эквивалентная частоте мутаций — является в то же время и максимально возможной.

На самом деле никакого парадокса тут нет. Как следует подумав, мы увидим, что по-другому и быть не могло. Эволюция путем естественного отбора не может идти со скоростью, превышающей скорость мутирования, ведь в конечном счете мутации — это единственный источник возникновения изменчивости внутри вида. Естественный отбор способен только на то, чтобы сохранять одни варианты и отвергать другие. Верхняя граница скорости эволюционных изменений неизбежно будет устанавливаться частотой мутаций. Фактически естественный отбор занимается не столько преобразованиями, сколько их предотвращением. Поспешу прибавить, что из этого не следует, будто естественный отбор — процесс исключительно деструктивный. Он способен и к созиданию. Каким образом — объясню в главе 7.

Но и мутации сами по себе штука довольно редкая. Другими словами, и без естественного отбора ДНК сохраняет свои архивы с поразительной эффективностью. По самым скромным оценкам, даже при отсутствии естественного отбора она реплицируется с такой точностью, что для того, чтобы опечатки составляли 1 % от общего текста, потребуется сделать целых пять миллионов удвоений подряд. Наши воображаемые машинистки снова безнадежно обставлены ДНК, даже если никакого естественного отбора не происходит. Ведь достигнуть такого уровня точности для них было бы равносильно способности напечатать полный текст Нового Завета всего лишь с одной опечаткой. То есть каждая из них должна быть примерно в 450 раз аккуратнее типичного секретаря из реального мира. Это определенно не в полмиллиарда раз — соответствующий показатель точности копирования гена гистона H4 при участии естественного отбора, — но все равно очень впечатляющая цифра.