Структура реальности

Мне с одноклассниками приходилось учить наизусть множество «характеристик живого». Все они были просто описательными и мало касались фундаментальных концепций. Одной из них, очевидно, было движение – неясное эхо идеи Аристотеля, – однако среди них были и дыхание, и выделение. Также присутствовали размножение, рост и незабвенно названная раздражимость, которая значит, что если вы окажете воздействие на что-либо, то оно ответит. Этим предполагаемым характеристикам не хватало ясности и глубины, более того, точностью они тоже не отличались. Как сказал бы нам д-р Джонсон, каждый реальный объект обладает «раздражимостью». С другой стороны, вирусы не дышат, не растут, не выделяют и не движутся (пока на них не окажут воздействие), но они живые. Бесплодные люди не размножаются, однако они тоже живые.

Причина, по которой ни во взглядах Аристотеля, ни в том, что содержалось в моих школьных учебниках, не было зафиксировано даже хорошего таксономического различия между живыми и неживыми предметами, не говоря уже о чем-то более глубоком, в том, что и Аристотель, и учебники упустили главное в том, что такое живые предметы (эта ошибка в большей степени простительна Аристотелю, потому что в его времена ни у кого не было лучших знаний). Современная биология не пытается определить жизнь с помощью некоторого характеристического физического свойства или вещества – некой живой «сущности», – которой наделена только живая материя. Мы больше не ждем, что такая сущность обнаружится, потому что знаем теперь, что «живая материя», материя в форме живых организмов, – это не основа жизни. Она всего лишь одно из проявлений жизни, а основа жизни – молекулярная. Факт состоит в том, что существуют молекулы, которые побуждают определенные среды к созданию копий этих молекул.

Такие молекулы называются репликаторами. В более общем смысле репликатор – это любая сущность, которая побуждает определенные среды ее копировать. Не все репликаторы биологические, и не все репликаторы являются молекулами. Самокопирующаяся компьютерная программа (например, компьютерный вирус) – это тоже репликатор. Хорошая шутка – это еще один репликатор, поскольку она заставляет слушателей пересказать себя другим слушателям. Ричард Докинз придумал термин мем для репликаторов, которые представляют собой человеческие идеи, например, шутки. Однако вся жизнь на Земле основана на репликаторах-молекулах. Они называются генами, а биология – это изучение происхождения, структуры и деятельности генов, а также их влияния на другую материю. В большинстве организмов ген состоит из последовательности небольших молекул (существует четыре различных вида таких молекул), соединенных в цепочку. Названия составляющих молекул (аденин, цитозин, гуанин и тимин) обычно сокращают до A, C, G и T. Сокращенное химическое название цепочки из любого количества таких молекул, расположенных в любом порядке, – ДНК.

Гены по существу являются компьютерными программами, выраженными в виде последовательности символов A, C, G и T на стандартном языке, называемом генетическим кодом, который одинаков, с очень небольшими вариациями, для всей жизни на Земле. (Некоторые вирусы основаны на родственном типе молекул, РНК, тогда как прионы [31] в некотором смысле – самовоспроизводящиеся белковые молекулы.) Особые структуры внутри клеток каждого организма действуют как компьютеры, исполняя заложенные в этих генах программы. Исполнение заключается в производстве определенных молекул (белков) из более простых молекул (аминокислот) при определенных внешних условиях. Например, последовательность ATG – это команда для включения в создаваемую белковую молекулу аминокислоты метионина.

31

Прионы – «неправильно» свернутые белковые молекулы, способные катализировать такое же сворачивание других гомологичных (имеющих ту же последовательность аминокислот) молекул. Выступая в качестве инфекционных агентов, прионы вызывают ряд заболеваний, в частности, губчатую энцефалопатию («коровье бешенство»). – Прим. ред.

Обычно ген химически «включается» в определенных клетках тела, а затем дает этим клеткам команды производить соответствующий белок. Например, гормон инсулин, который отвечает за уровень сахара в крови у позвоночных, является именно таким белком. Производящий его ген присутствует почти в каждой клетке тела, но включается только в строго определенных клетках поджелудочной железы и только тогда, когда это необходимо. На молекулярном уровне это все, на выполнение чего любой ген способен запрограммировать свой клеточный компьютер: произвести определенный химический продукт. Но гены успешно выполняют свои репликаторные функции, потому что эти химические программы низкого уровня, слой за слоем благодаря сложному управлению и обратной связи, складываются в изощренные высокоуровневые программы. Ген инсулина и гены, которые включают и отключают его, вместе эквивалентны полной программе регулирования уровня сахара в крови.

Подобным же образом существуют гены, которые содержат особые инструкции о том, как и когда должны быть скопированы они сами и другие гены, а также инструкции для производства следующих организмов того же вида, включая те молекулярные компьютеры, которые вновь выполнят все эти инструкции в следующем поколении. Также существуют инструкции, сообщающие, каким образом весь организм в целом должен реагировать на раздражители, например, когда и как он должен охотиться, есть, спариваться, драться или убегать. И так далее.

Ген способен функционировать как репликатор только в определенных средах. По аналогии с экологической «нишей» (набором сред, в которых организм может выжить и произвести потомство) я буду также использовать термин ниша для набора всех возможных сред, которые данный репликатор заставляет создавать его копии. Ниша гена инсулина включает среды, где ген расположен в клеточном ядре вместе с некоторыми другими генами, а сама клетка должным образом расположена внутри функционирующего организма, причем этот организм находится в естественной среде, подходящей для поддержания его жизни и размножения. Но существуют также и другие среды – например, биотехнологические лаборатории, в которых бактерии генетически изменяют, добавляя им этот ген, – где сходным образом копируется ген инсулина. Такие среды тоже являются частью ниши гена, как и бесконечное множество других возможных сред, весьма отличных от тех, в которых этот ген сформировался.

Не все, что может быть скопировано, является репликатором. Репликатор побуждает свою среду к тому, чтобы она его скопировала, то есть он вносит причинный вклад в свое собственное копирование. (Моя терминология немного отличается от терминологии Докинза. Он называет репликатором все, что копируется по любой причине. То, что я называю репликатором, он назвал бы активным репликатором.) Я еще вернусь к тому, что в общем случае означает «вносить причинный вклад» во что-либо, но здесь я имею в виду, что от присутствия и особой физической формы репликатора зависит, происходит копирование или нет. Другими словами, если репликатор присутствует, то он копируется, но если заменить его почти любым другим объектом, даже довольно похожим, этот объект не будет скопирован. Например, ген инсулина служит причиной лишь одного маленького шага в исключительно сложном процессе своей собственной репликации (этот процесс и есть весь жизненный цикл организма). Однако подавляющее большинство вариаций этого гена не дали бы клеткам команды произвести химический продукт, который смог бы выполнить работу инсулина. Если гены инсулина в клетках отдельного организма заменить лишь немного отличными молекулами, этот организм умрет (если только в нем не поддерживать жизнь с помощью других средств), а, следовательно, он не оставит потомства, и эти молекулы не будут скопированы. Таким образом, то, произойдет копирование или нет, исключительно чувствительно к физической форме гена инсулина. От присутствия этого гена в должной форме и должном месте зависит, произойдет ли процесс копирования, который сделает его репликатором, хотя существует и бесчисленное множество других причин, которые вносят свой вклад в его репликацию.

Наряду с генами в ДНК большинства живых организмов присутствуют случайные последовательности A, C, G и T, иногда называемые мусорными последовательностями. Они также копируются и передаются потомкам данного организма. Однако если такая последовательность замещается почти любой другой последовательностью похожей длины, она все равно копируется. Таким образом, мы можем сделать вывод, что копирование таких последовательностей не зависит от их конкретной физической формы. В отличие от генов, мусорные последовательности ДНК не являются программами. Если они и выполняет какую-то функцию (так ли это, неизвестно), то эта функция не может заключаться в переносе любой информации. Хотя такая последовательность копируется, она не вносит причинный вклад в свое собственное копирование и, следовательно, не является репликатором.

На самом деле это преувеличение. Все, что копируется, должно вносить хоть какой-то причинный вклад в это копирование. Мусорные последовательности, например, все же состоят из ДНК, что позволяет клеточному компьютеру их копировать. Клеточный компьютер не может копировать молекулы, отличные от молекул ДНК. Вряд ли стоит считать что-либо репликатором, если его причинный вклад в свою собственную репликацию мал, хотя, строго говоря, можно ли его так называть – это вопрос степени. Я определю степень адаптации репликатора к данной среде как степень вклада, сделанного репликатором в процесс своей собственной репликации в этой среде. Если репликатор хорошо адаптирован к большинству сред некоторой ниши, мы можем назвать его хорошо адаптированным к этой нише. Мы только что видели, что ген инсулина в высшей степени адаптирован к своей нише. Мусорные ДНК-последовательности имеют пренебрежимо малую степень адаптации по сравнению с геном инсулина или другими настоящими генами, но они гораздо лучше адаптированы к этой нише, чем большинство молекул.

Обратите внимание, что для численной оценки степени адаптации мы должны учесть не только рассматриваемый репликатор, но также и некоторый диапазон его возможных вариантов. Чем более чувствительно копирование в данной среде к точной физической структуре репликатора, тем выше адаптация репликатора к этой среде. Для высоко адаптированных репликаторов (которые только и заслуживают названия репликаторов) необходимо рассмотреть только небольшие вариации, потому что при значительных вариациях они в большинстве случаев уже не будут репликаторами. Итак, мы рассматриваем возможность замены репликатора сходными в общих чертах объектами. Чтобы определить степень адаптации к нише, необходимо рассмотреть степень адаптации репликатора к каждой среде этой ниши. Следовательно, необходимо рассмотреть как варианты репликатора, так и варианты этой среды. Если большая часть вариантов репликатора не сумеет побудить большую часть сред ниши к его копированию, значит, данная форма репликатора является веской причиной его самокопирования в этой нише, что мы и имеем в виду, когда говорим, что он в высшей степени адаптирован к этой нише. С другой стороны, если большинство вариантов репликатора будут копироваться в большинстве сред ниши, значит, форма нашего репликатора не слишком важна: копирование все равно произойдет. В этом случае наш репликатор вносит небольшой причинный вклад в свое копирование и его нельзя назвать высокоадаптированным к этой нише.