Вселенная

* * *

С определённой точки зрения теория Дарвина кажется настолько логичной, что её появление представляется почти неизбежным. Впервые прочитав книгу «О происхождении видов» Томас Генри Гексли, современник и убеждённый сторонник Дарвина, воскликнул: «Как исключительно глупо было до этого не додуматься!». Однако естественный отбор — очень специфический процесс, который никак не назовёшь ни неизбежным, ни очевидным. Он не сводится к тому, что «вид постепенно эволюционирует со временем» или «хорошо приспособленные организмы имеют больше шансов оставить потомство».

Организмы размножаются и передают генетическую информацию следующему поколению. Эта информация в целом стабильна — дети похожи на родителей, — но не незыблема. На каждом этапе возможны мелкие случайные изменения. Эти изменения не направлены на достижение какой-либо перспективной цели, причём отдельные особи никак не смогут повлиять на них своими действиями (ваши дети не станут более мускулистыми лишь потому, что вы качаете мышцы). Если при наследовании мы получили некое малозаметное случайное изменение генетической информации, которое может повлиять на размножение, то здесь может сработать естественный отбор. К счастью, изменения, способствующие совершенствованию организма, имеют больше шансов на передачу генетического материала, чем нейтральные или пагубные изменения.

Все эти детали нельзя принимать как должное. Вот почему биологи подчёркивают разницу между «эволюцией» и «естественным отбором». В ходе эволюции со временем изменяется геном (вся совокупность генетической информации); естественный отбор является частным случаем эволюции, при котором изменения в геноме зависят от степени репродуктивного успеха.

Дарвин ничего не знал ни о ДНК, ни о РНК, ни даже о генах — отдельных единицах наследственной информации. Основные правила наследственности сформулировал монах-августинец Грегор Мендель, поставивший ряд знаменитых экспериментов с различными сортами гороха. В 1930–1940-е годы биологи разработали современный эволюционный синтез — теорию, объединившую естественный отбор и менделевскую генетику. Эта парадигма продолжает уточняться по мере того, как мы всё больше узнаём о биологии и наследовании, но общая картина в данном случае остаётся крайне успешной.

Неудивительно, что биологическая реальность здесь, на Земле, оказалась сложнее, чем простейшая формулировка естественного отбора. Как и многие способы рассуждения о мире, теория Дарвина работает только в своей области применения.

В истории жизни участвуют не только организмы, приспосабливающиеся к окружающей среде, но и другие факторы. Это отлично согласуется с дарвиновской концепцией. Дарвиновский отбор происходит, но он идёт на фоне хаоса, присущего реальному миру; при этом наряду с естественным отбором происходят другие процессы. Многие признаки в геноме любого вида возникают случайно, а не в результате той или иной адаптации. Это явление называется «дрейф генов». Иногда возникают мутации, никак не влияющие на приспособленность организма; в других ситуациях случайность, присущая половому размножению или обусловленная непредсказуемыми свойствами окружающей среды, может привести к тому, что некоторые признаки становятся обычными, а другие отмирают. Биологи спорят об относительной важности адаптации и генетического дрейфа, но практически нет сомнений, что оба фактора важны.

В долгосрочном эволюционном эксперименте Ленски та мутация, которая позволила некоторым бактериям метаболизировать цитрат, произошла примерно через 31 000 поколений. Когда исследователи разморозили особей из более ранних поколений и проверили, разовьётся ли у них эта способность вновь, оказалось, что да, но только у клеток после 20 000 поколений или позже. Примерно в 20 000 поколений возникли одна или несколько мутаций, которые сами по себе не позволяли бактериям метаболизировать цитрат, но подготовили почву для того, чтобы такая способность появилась после более поздней мутации. Единственный признак может сформироваться под действием множества отдельных мутаций, которые сами по себе не окажут какого-либо заметного влияния.

Давление отбора воздействует на признаки, тогда как генетическая информация передаётся через ДНК, и соотношение между первым и вторым механизмом не такое простое. Даже такой простой признак, как высокорослость, не будет зафиксирован в конкретной последовательности нуклеотидов, а будет зависеть от взаимосвязи множества различных факторов, действующих одновременно. В результате давление отбора, действующее на один признак, может затронуть другой, если эти признаки кодируются общими множествами последовательностей ДНК. История эволюции изобилует «надстройками» — эту метафору активно подчёркивали биологи Стивен Джей Гулд и Ричард Левонтин. Это признаки, возникающие по одной причине, но в итоге используемые для совершенно иной цели. Это побочные продукты эволюции, а не аспекты, на которые непосредственно направлен естественный отбор. Гулд и Левонтин предположили, что к этой категории относятся многие свойства человеческого мозга.

Более того, наследование порой нельзя свести к простой передаче ДНК от одного поколения к следующему. Существует горизонтальный перенос генов, при котором гены передаются от одной особи к другой не через размножение, а иным образом. Такое явление относительно обычно у бактерий и иногда происходит у многоклеточных видов. Есть эпигенетические феномены, при которых химическое строение унаследованной ДНК изменяется при развитии организма под действием таких факторов, как питание, либо под влиянием условий в материнской утробе, в которых развивается эмбрион. В настоящее время неясно, в какой степени могут наследоваться подобные изменения, но, будучи унаследованными, они поддаются обычному воздействию естественного отбора.

Итак, в реальном мире царит чудная кутерьма. Может ли такой неориентированный механизм — какой и должен был сформироваться во Вселенной, управляемой безликими законами и жестко зависящей от стрелы времени, — достаточно хорошо описать всю впечатляющую замысловатость биосферы на нашей планете? «Есть величие в этом воззрении», — пишет Дарвин в «Происхождении видов». Но на самом ли деле такого простого механизма достаточно, чтобы дельфины, бабочки и тропические леса могли образоваться из жалкой горстки органических молекул, конкурирующих за свободную энергию? Могут ли чудеса эффективности и изобретательности, характерные для живых организмов, действительно возникнуть из случайных изменений за достаточно долгий срок? (Подскажу: да.)

Глава 34

Пробираясь по ландшафту

В информатике, как и в жизни, часто встречается простая задача: найти конкретный элемент, выбрав его из множества вариантов. Рассмотрим задачу коммивояжера: имея список городов и расстояний между ними, нужно проложить между этими городами кратчайший маршрут, на котором каждый город будет встречаться только один раз. Задачу можно перефразировать. Возьмём список городов и расстояний между ними. Далее сделаем новый список, перечислив в нём все возможные маршруты, по которым коммивояжер заходит в каждый город как минимум один раз (это будет невероятно длинный, но всё-таки конечный список). Какой маршрут будет кратчайшим?

Поисковый алгоритм — это чётко сформулированная процедура для нахождения нужного элемента в списке объектов. Разумеется, можно перебрать все элементы один за другим, каждый раз спрашивая: «Этот?». Такой способ, вероятно, будет сложен, так как при поиске ответов на вполне разумные вопросы порой требуется отсортировать немыслимо огромные списки. В случае с задачей коммивояжера число возможных маршрутов возрастает примерно как факториал от числа охватываемых городов. Факториал числа n равен произведению 1 умножить на 2 умножить на 3 умножить на 4... умножить на (n – 1). Таким образом, в случае с двадцатью семью городами потребуется проверить около 10²⁸ маршрутов. Если бы поиск шёл со скоростью миллиард маршрутов в секунду, то занял бы больше времени, чем существует наблюдаемая Вселенная.

Таким образом, фокус не в том, чтобы найти первый попавшийся поисковый алгоритм, — нужно найти эффективный. Очень часто число вариантов так велико, что мы с радостью останавливаемся на «неплохих» решениях, не доискиваясь абсолютно точных.

Естественный отбор можно сравнить с поисковым алгоритмом. Эволюция решает следующую задачу: какой организм сможет наиболее эффективно размножаться и выживать в данной конкретной среде? Только поиск охватывает не организмы как таковые, а их геномы либо конкретные нуклеотидные последовательности в нити ДНК. В человеческом геноме содержится около трёх миллиардов нуклеотидов. Это много по сравнению, скажем, с бактериальным геномом, где насчитывается лишь несколько миллионов нуклеотидов. Но давайте не будем задаваться: у некоторых цветковых растений в ДНК имеется более 100 миллиардов пар нуклеотидных оснований. Некоторым организмам удастся выжить и размножиться, другим — нет. Однако как среди многих поколений найти такие последовательности ДНК, которые повышают шансы организма на выживание?