Генератор невероятности

Борис Жуков о науке писал ещё в начале 1990-х, когда эта тема в СМИ казалась экзотической на фоне криминальных разборок и астрологических прогнозов. Не так давно вышла его новая книга «Дарвинизм в XXI веке». В статье для «КШ» Борис развивает одну из затронутых в ней проблем: каким образом столь сложные системы, как живая клетка, крыло или глаз, могли возникнуть постепенным естественным путём? Ведь для их появления должно произойти очень много изменений в предшествующих структурах, каждое из которых по отдельности ни к чему хорошему не ведёт.

Не может торнадо случайно собрать самолёт!

Почти в любом споре об эволюции рано или поздно звучит один и тот же аргумент: дарвиновская модель невозможна просто потому, что никакая, даже самая простая, биологическая структура не может возникнуть случайно. При этом часто говорят, что такое явление на много порядков менее вероятно, чем-то, что в торнадо, прошедшем над свалкой, сам собой соберётся готовый к полёту «Боинг-747».

Попытки доказать, что дарвиновская модель эволюции противоречит элементарным вероятностным соображениям, предпринимались регулярно с самого момента выхода «Происхождения видов». Обычно они формулировались примерно так: да, мы понимаем, что животное, обладающее, допустим, глазами, оказывается в более выгодном положении по сравнению со своими слепыми сородичами, но не мог же такой сложный и совершенный орган, как глаз, возникнуть в результате случайных изменений! Значит, эти структуры возникают каким-то иным путём, а дарвиновский отбор в лучшем случае оценивает то, что получилось, распространяя удачные новшества и отбраковывая неудачные.

В наше время подобные рассуждения часто переносятся на молекулярный уровень, поскольку в этом случае их можно подкрепить некоторыми расчётами. Представим, например, самый маленький белок, состоящий всего из сотни аминокислот. Начинаться он может с любой из 20 аминокислот. Второй тоже может быть любая аминокислота. Значит, разных молекул из двух аминокислот может быть 20×20 = 400. Из трёх — 8 тысяч, из четырёх — 160 тысяч. А из ста — 20 100. Двадцать в сотой степени — чтобы записать это число в привычной нам десятичной форме, потребовалось бы больше ста тридцати знаков.

Дальше антидарвинисты от комбинаторики рассуждают так: вероятность случайного возникновения конкретной аминокислотной последовательности (или кодирующей её последовательности нуклеотидов) можно представить как единицу, делённую на это астрономическое число. Конечно, такова вероятность её появления в единичном событии.

Но даже если бы каждую секунду с момента Большого взрыва все подходящие атомы во Вселенной складывались в новые цепочки из ста аминокислот, вероятность возникновения именно такой белковой молекулы всё равно оставалась бы исчезающе малой — выраженной дробью, где от запятой до первой значащей цифры стоит больше тридцати нулей.

Уважаемый читатель, ваше существование противоречит законам вероятности и здравого смысла

Между тем в самой простенькой клетке имеется около тысячи разных белков, в многоклеточном организме — десятки тысяч. Стоит лишь вспомнить об этом, говорят антидарвинисты, и станет ясна вся абсурдность предположения, что это могло возникнуть в результате цепочки случайных событий.

Если вдуматься в этот «неопровержимый аргумент», можно заметить, что он уязвим по крайней мере с двух сторон.

Во-первых, с таким же успехом можно доказать невероятность появления на свет любого конкретного человека — ну хотя бы вас, уважаемый читатель. В самом деле, ваши отец и мать могли не встретиться, не понравиться друг другу, не пожениться и т. д. И даже если бы всё шло так, как шло, в день вашего зачатия с вероятностью 50% мог возникнуть эмбрион другого пола, который уж точно развился бы в другую личность. Мало того, всё те же возможности были и у родителей ваших родителей. И у их родителей тоже.

Перемножаем все эти вероятности хотя бы за пять-шесть последних поколений — и ваше появление на свет становится чудом, неоспоримым доказательством вмешательства высшей силы. Но точно такое же рассуждение можно выстроить для любого другого человека на Земле. Получается, что все мы — живые опровержения теории вероятностей? Во всяком случае, именно такой вывод сделал профессор Цезарь Коушка — придуманный Станиславом Лемом автор книги De impossibilitate vitae («О невозможности жизни»).

Рождение каждого из нас — результат стечения почти невероятных обстоятельств, но сложись они иначе — на свете просто жили бы какие-то другие люди.

Вы и ваши белки — это не единственно возможный вариант

Разумеется, любой образованный человек без труда разрешит этот парадокс. Если, скажем, у нас есть генератор случайных шестизначных чисел, то вероятность, что при конкретном испытании выпадет некое определённое число — допустим, 123 321, — одна миллионная. Но ведь какое-то число выпадет обязательно, хотя выпадение именно его было столь же невероятно, как и любого другого конкретного числа!

С составом наших белков такая же история. У нас нет никаких оснований думать, что тот или иной белок или даже вся их совокупность (протеом) — единственно допустимый вариант. Скорее наоборот: в 2011 году профессор Принстонского университета Майкл Хехт и его сотрудники сочинили несколько десятков аминокислотных последовательностей, не похожих ни на какие известные сегодня белки, но способные катализировать некоторые жизненно важные реакции в клетке. Учёные синтезировали гены, кодирующие эти небывалые белки, вставили их в бактериальные клетки (из которых были удалены гены ферментов, в обычном режиме катализирующих те же реакции) — и в четырёх случаях «протезные» ферменты смогли обеспечить клеткам нормальное существование.

Косвенно об этом свидетельствует и тот факт, что в разных организмах одну и ту же функцию выполняют белки, аминокислотные последовательности которых не имеют между собой ничего общего (например, антитела у миног и у нас). В свете этих фактов любые расчёты вероятности появления именно таких, а не других последовательностей аминокислот ценны разве что как упражнения в работе с калькулятором.

Для того чтобы написать «Войну и мир», нужен Лев Толстой и миллиард лет естественного отбора

Но ещё удивительнее и интереснее для анализа другая особенность подобных рассуждений. В них неизменно начисто отсутствует естественный отбор — тот самый фактор, эволюционное значение которого должны опровергнуть (или хотя бы ограничить) эти построения! В неформальных разговорах на эту тему часто всплывает такое сравнение: это, мол, столь же невероятно, как-то, что миллиард обезьян, случайным образом тыкая в клавиатуру, когда-нибудь напечатают полный текст «Войны и мира».

Действительно, случайные процессы сами по себе никакую сложную биологическую структуру создать не могут — как хаотическое движение молекул горячего водяного пара не может само по себе двигать железнодорожный состав. Тепловое движение молекул преобразует в направленное поступательное движение макроскопического тела специальный механизм — паровой двигатель. Точно так же случайные генетические изменения, мутации, формируют новые структуры под влиянием специального механизма — естественного отбора.

Незаметная дискретность нашего пути

К сожалению, очень многие люди, знакомые с эволюционной теорией по школьному курсу биологии, выносят из него неверное представление о механизмах эволюции. Согласно ему всякая новая структура сначала каким-то образом возникает, а затем на неё начинает действовать естественный отбор, оценивая полезность новшества. В самом деле, не может же отбор действовать на то, чего ещё нет?

Такое представление явно или неявно поддерживается и научно-популярной литературой. Эволюционные процессы в ней чаще всего иллюстрируются примерами приспособления у бактерий, а у них подавляющее большинство изученных на сегодня генетических адаптаций возникает действительно «в одну мутацию». Наконец, немаловажную роль в поддержании этого представления играет фундаментальная особенность человеческого мышления — его типологичность.

По сути, эта черта — проявление на психологическом уровне общего принципа работы нервной системы, в которой информация кодируется, передаётся и обрабатывается в значительной мере в «цифровой», дискретной форме. Прежде всего это относится к потенциалам действия — тому, что называют нервными импульсами.

Последние, как известно, возникают по принципу «всё или ничего»: любое воздействие на нейрон либо приводит к генерации импульса, либо нет. Если импульс возникнет, его амплитуда, длительность и другие характеристики будут стандартными. Химические сигналы (играющие в работе мозга не меньшую роль) допускают более плавное изменение интенсивности, но в конечном счёте и там всё сводится к дискретному взаимодействию: либо молекула сигнального вещества связалась с рецептором, либо нет. Конечно, мы эту дискретность не замечаем — как не замечаем мы отдельных пикселей на экране с высоким разрешением. Но и целый мозг в своей работе стремится к однозначности, особенно при распознавании образов и сравнении их с уже известными.

Известен такой эксперимент: испытуемому в наушники подавали звук, плавно менявшийся от «б» до «в», и просили всякий раз называть звук, который он слышит. Хотя звук менялся предельно плавно, испытуемый до какого-то момента уверенно опознавал его как «б», а затем — столь же уверенно как «в». Граница, на которой один звук сменялся другим, у испытуемых была разной, но само изменение происходило скачкообразно.

Такая дискретизация поступающей информации значительно повышает надёжность любых операций с ней. Но именно потому, что вся работа нашего мозга (в том числе процессы, которые обеспечивают психические функции) построена на этом принципе, нам очень трудно думать о каком-либо переходе как о плавном и непрерывном.

Иногда в этом нет ничего страшного. Но в рассуждениях об эволюции эта особенность нашего мышления то и дело ставит нам когнитивные ловушки, в которые порой попадают даже профессиональные эволюционные биологи. Людям же менее искушённым трудно отрешиться от такого взгляда на сложные признаки, даже когда они искренне пытаются это сделать. «А как такой сложный орган, как глаз, мог развиться постепенно? Разве могли существовать животные с половинкой глаза, четвертушкой, десятой частью?!»

На самом деле сложные структуры почти всегда возникают в эволюции не как гениальное изобретение, а скорее как длинная цепочка мелких «рацпредложений», каждое из которых лишь немножко улучшало общий результат.

Сколько раз ни вытряхивай из мешка типографский шрифт, он не сложится в «Энеиду», но если каждый раз сохранять те сочетания букв, которые есть в поэме Вергилия, то за вполне разумное время можно получить полный её текст. Именно это и делает естественный отбор.

К совершенному глазу — незаметными шагами эволюции

Возможный путь пошагового формирования сложного глаза, при котором каждый шаг требовал бы лишь небольшого изменения, рассмотрел ещё сам Дарвин в переизданиях «Происхождения видов». Конечно, приводимый Дарвином ряд — это реконструкция: у нас нет последовательного ряда ископаемых форм, на которых было бы видно устройство глаз. Но поскольку в разных ветвях животного царства глаза возникали десятки раз, мы можем найти у современных животных все те состояния этого органа, которые Дарвин приводит как этапы эволюции сложного глаза. За полтора века, прошедшие с публикации этой схемы, учёные много чего узнали об устройстве и работе глаз самых разных типов и степеней сложности. И все эти открытия укладываются в дарвиновскую схему.

Тот же способ формирования новых структур действует и на молекулярном уровне. В 2009 году канадские молекулярные биологи с типично канадскими именами Константин Боков и Сергей Штейнберг реконструировали историю возникновения рибосомы — молекулярного комплекса, синтезирующего белки. Точнее, они выяснили историю структурной основы и главной «рабочей части» рибосомы — 23S рибосомной РНК, цепочки из почти трёх тысяч нуклеотидов (что для РНК очень много).

Учёные сделали вывод, что рибосомная РНК формировалась в эволюции постепенно, начиная с относительно небольшого, но уже проявлявшего каталитическую активность участка. Позднее к нему по одному пристыковывались другие фрагменты РНК. При этом вновь возникавшая конструкция всегда работала лучше предыдущей. Поэтому приобретение закреплялось.

То есть современные рибосомы — сложнейшие молекулярные машины, состоящие из нескольких десятков отдельных молекул, взаимное расположение и функции которых точно подогнаны друг к другу, — складывались буквально «по винтику, по кирпичику». Точно так же, путём постепенных небольших улучшений, формируется в эволюции и любая сложная структура, будь то «мотор» бактериального жгутика или мозг человека.

При этом бывает, что структура, совершенствовавшаяся для выполнения одной функции, оказывается способной взять на себя другую. Например, «электрогенератор» электрического угря развился из видоизменённой мышечной ткани как орган электрического чувства. Чувствительность такого органа тем выше, чем выше его мощность. На каком-то этапе мощность «батареи» у некоторых рыб оказалась настолько велика, что её стало можно применять как оружие.

Немецкий зоолог XIX века Антон Дорн называл это принципом смены функций. Но в текстах предубеждённых или прямолинейно мыслящих авторов такие случаи до сих пор нередко трактуются как явления, необъяснимые с дарвинистской точки зрения: как же отбор мог создать такой-то орган, если он выполняет свою функцию, только будучи уже достаточно развитым?!

Важно подчеркнуть вот что: хотя каждый шажок на этом пути начинался со случайного изменения (мутации), конечная структура (для формирования которой нужно, чтобы все эти мутации присутствовали у одного организма) возникает совершенно не случайно. Естественный отбор не только закрепляет и распространяет возникающие полезные признаки, но и (если говорить о признаках более-менее сложных) создаёт их.

Более подробно об этом можно прочитать в книге известного эволюционного биолога и популяризатора науки Ричарда Докинза «Восхождение на гору Невероятности». Мы же, пожалуй, на этом закончим.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» № 50 2022 г.